想象一下每天沿着相同的路线开车上班。你的思绪从一件事游荡到另一件事：下午的员工会议、周末的计划、你需要为朋友买的礼物。突然，一辆车超车，这些想法立刻消失——你所有的注意力都集中在操纵方向盘以避免碰撞。虽然一时慌乱，但你——和你的想法——在一两分钟后又回到了同样的游荡模式。
在我们进行清醒生活时，我们的意识流通常会在内省和对外关注之间循环转换。内在和外在精神状态之间的来回舞动似乎是大脑功能的基础。密歇根大学意识科学中心神经科学家黄子锐领导的一项新研究表明，负责环境意识的网络和负责自我意识的另一个网络之间不断变化的平衡可能是意识的一个决定性特征。
证据来自对无反应人群（无论是麻醉还是神经病理学疾病导致）大脑活动模式的缺失。除了增进我们对意识的理解之外，这项工作还可能促成监测意识的技术的开发，无论是在手术前还是在治疗意识障碍患者（如植物人或“闭锁综合征”患者）期间。
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在过去的二十年中，神经科学家已经确定了一个大脑区域网络，该网络负责各种内省，从胡思乱想到回忆和计划。“背景”大脑活动的概念开始引起关注，当时神经学家马库斯·雷切尔和他在圣路易斯华盛顿大学的同事表明，当执行专注的脑力任务时，器官的能量消耗仅上升不到 5%，这表明它从未真正处于闲置状态。2001 年，雷切尔创造了“默认模式”一词来描述这种活动。随后，汇聚的证据线索导致了默认模式网络 (DMN) 组成区域的识别，该网络是这种自我导向认知的基础。
DMN 中的活动与所谓的背侧注意力网络 (DAT) 中的活动“反相关”：两个网络中一个越活跃，另一个往往就越不活跃。DAT 中的活动对应于 направленное 向外的注意力，而 DMN 是自我意识的基础。这种安排从两个相反的神经网络之间的相互平衡的角度提供了对我们意识体验的潜在解释。“这不是一个非此即彼的事情；你只是在倾斜平衡，”雷切尔说。“我们来回滑动，但它们都在一定程度上存在。”
这项研究的一部分仍然存在争议，因为使用了一种从脑部扫描数据中清除噪声的方法，一些研究人员认为，这种方法总是会生成反相关的模式，作为数据处理的人为产物。在周三发表在《科学进展》杂志上的这项研究中，黄和他的同事们避免了这个问题，他们采用了一种不使用这种处理方法的方法。相反，他们利用机器学习技术将大脑激活模式分为八组。其中两组对应于 DMN 和 DAT，六组与其他已知的大脑功能网络有关：感觉和运动网络、视觉网络、腹侧注意力网络、额顶网络以及代表大脑激活和去激活交叉状态的两个网络。
为了捕捉大脑活动，该团队使用了一种称为静息态功能性磁共振成像 (rsfMRI) 的技术。研究人员没有像通常在使用 rsfMRI 估计区域之间连接程度时那样对长时间内的活动进行平均，而是希望研究瞬时大脑激活如何在时间上展开。
他们表明，器官在不同的状态之间快速循环，对应于八个网络中的每一个，有些转换比其他转换更可能发生——黄将其描述为“时间电路”。值得注意的是，大脑在 DMN 和 DAT 激活之间的中间状态中传递，而不是在这两个极端之间瞬间切换，这代表了最高级别的认知过程。
研究人员扫描了 98 名参与者，他们要么静静地躺着但有意识，要么处于无反应状态。后一种情况是由异丙酚或氯胺酮麻醉或由称为无反应觉醒综合征的神经病理学疾病引起的——这是一种由脑损伤引起的植物状态。所有这些无反应状态都有一个共同点：DMN 和 DAT 与时间电路网络之间的持续转换“隔离”，并且它们几乎从不激活。
每种类型的无反应性在分子机制、神经回路和涉及的体验方面各不相同（例如，接受氯胺酮麻醉的人报告有幻觉）。这些观察结果可能表明，DMN-DAT 活动的缺失是任何形式的意识减退的共同特征，而它的存在可能是完全意识的必要特征。“[研究人员] 在这里暗示的是：如果你破坏了这种平衡，你会看到意识方面的代价，”雷切尔说，他没有参与这项研究。“这是一种有趣的框架 [DMN-DAT 活动] 的方式，它描述了我们的意识。但它能解释它吗？我不确定。”
在另一项实验中，研究人员表明，播放声音会增加腹侧注意力网络（将我们的注意力转移到意外刺激）的激活，并抑制有意识参与者而非无反应参与者中 DMN 的激活。最后一项对照实验评估了精神病患者脑部扫描数据库中的网络激活情况。科学家们发现，该组与有意识的参与者在 DMN 和 DAT 活动方面没有差异，这表明其丧失是特定于反应能力降低，而不是任何形式的认知障碍。
各种无反应状态之间也存在差异。例如，接受氯胺酮的参与者更频繁地进入激活和去激活的交叉大脑状态。在精神分裂症患者的扫描中也看到了这种模式，这表明过度激活的模式可能对应于氯胺酮使用和精神分裂症共有的幻觉体验。“如果所有处理器都在大脑的每个地方共享信息，我想你可能会失去自我和环境之间的差异，”黄说。“一切同时发生，你就会扭曲你的精神内容。”
这项工作可能用于开发意识测量方法，以评估意识障碍治疗的有效性或用于麻醉的在线监测。“一旦我们看到这两个网络减少，我们就认为个体没有意识到他们的环境，”黄说。衡量个体是否有意识的措施可以帮助外科手术室的医生。他接下来计划研究调节时间电路中这些转换的神经机制，该时间电路包含这些大脑网络——探索编排意识活动舞蹈动态的机制。