简约之美：揭示复杂脑自发活动中意识状态相关的简要神经表征

我们的意识存在于何处？这是《Science》杂志列为125个未解决的前沿科学问题之一。大脑是一个复杂的动态系统，其全局意识水平的波动在时间尺度上引领着我们不同的主观体验。例如从清醒到睡眠的交替、麻醉药物作用下的意识消失、精神疾病或致幻剂引发的异常精神状态等，分别对应着不同的意识状态。利用功能神经影像技术，已有研究发现了大脑在各种不同意识状态下可能伴随着复杂的神经活动模式改变，然而是否存在简要的规律对应跨意识状态下的复杂脑活动改变？正如哲学家David Chalmers所说，我们能否发现简要到可以写在T恤上的自然规则去理解意识。

面向这一有趣的科学问题，北京师范大学刘冰课题组联合王晓群实验室、中国科学院生物物理研究所李昂课题组、首都医科大学韩如泉课题组、西南大学雷旭课题组等多个团队展开合作，通过发展多模态跨尺度融合的计算建模框架，分析不同意识状态（包含麻醉、睡眠、静息、困倦、精神疾病、迷幻等）下的功能影像数据，揭示了全局的意识状态可能并不限于单独的孤立脑区，而是取决于拓扑空间中的层级动态模式，并提出压缩的脑时空嵌套特征作为意识状态的简要神经表征，同时结合猕猴大范围的颅内脑电数据、全脑转录组数据等进行了模型验证及分子机制探索。该工作于2023年6月5日在Nature Communications在线发表，题为“Hierarchical fluctuation shapes a dynamic flow linked to states of consciousness”。

研究团队首先开展了基于群组水平的脑功能模式分析，在三套独立的fMRI数据集（睡眠、麻醉、不同警觉水平）上，一致地发现全局意识状态的改变伴随着脑自发活动可变性的显著变化，并且这种变化空间上形成了从初级皮层，到额顶、默认等高级功能网络的连续拓扑特征。这一发现初步证实意识状态不是与某个特定的脑区关联，而是取决于全脑水平神经活动的时空动态模式。基于以上发现，研究团队假设：脑的时空（时域的脑自发活动可变性与空域的脑层级化拓扑组织模式）嵌套表征可能反映当前大脑系统的意识状态水平，更高的意识状态需要更多地向高层级脑区的灵活性配置。

研究团队利用以上假设驱动的思想，发展了刻画这一时空嵌套表征的个体化动态定量指标-层级分数，发现这一指标：(1)可在个体水平区分清醒、麻醉与恢复等不同的意识状态；(2)可在个体水平动态捕捉到不同的睡眠分期，与人类专家标注的睡眠深度高度吻合；(3)可捕捉到传统静息态扫描中被试困倦的状态，不同个体的层级分数与睡眠质量、反应速度以及任务准确率等相关；(4)可有效鉴别同一个体何时位于较高的“能量状态”，且与个体自主报告的注意力、困倦水平显著相关。以上结果提示层级分数及其潜在时空嵌套模式，可以简要有效地表征当前意识状态。

研究团队同时研究了“潜在异常”的意识状态，包括致幻剂引起的迷幻状态，以及精神疾病患者。结果提示相比于安慰剂，LSD可以引起志愿者层级分数的显著升高；在跨诊断精神疾病患者中层级分数与阳性症状显著正相关，尤其是非常规思维、幻觉、定向力丧失等有关。以上发现提示该时空嵌套表征的偏离可能帮助理解异常意识状态的神经机制。

利用图论和动态脑网络分析方法，研究团队进一步揭示了时空嵌套神经表征的连续脑状态维度，伴随着全脑网络水平更复杂的整合与连接模式变化，潜在支持了高意识状态所需的网络配置。进而结合时空动态循环模式、转录组数据和高场磁共振的联合分析提示，这种时空嵌套神经表征可能受到与觉醒有关的大范围循环时空活动所调节，并且与下丘脑的中枢组胺能神经系统关联。以上发现从多维度视角支持了经典意识理论模型的不同方面，进而构建了新的意识状态的可解释模型。

研究团队同时也分析了在睡眠、麻醉等不同意识状态下稠密采样的2只猕猴的颅内脑电数据，发现核心结果可以在猕猴的gamma频段得到复现。

综上，该研究基于将计算模型与多尺度数据融合的统一研究框架，揭示和系统阐述了复杂脑自发活动中决定全局意识状态的简要神经表征：神经活动可变性与层级化拓扑的脑时空嵌套模式。这一发现与模型不仅为不同意识状态或意识状态异常改变的鉴别提供动态定量评估的可能性，也为理解脑的层级化信息加工过程及对新型人工智能系统的研发具有启发作用。该研究也引发系列后续科学问题，例如，如何解析人脑复杂时空动态特性与人类行为的关系，如何建立脑时空异质性与精神状态的跨尺度关联，如何在脑功能相关研究中降低不同意识状态的干扰等，研究团队正同步开展相关研究。

北京师范大学刘冰教授、王晓群教授、首都医科大学天坛医院韩如泉教授为论文的共同通讯作者。中科院生物物理所李昂研究员为论文第一和共同通讯作者。首都医科大学天坛医院麻醉科刘海洋博士、西南大学心理学部的雷旭教授为论文共同第一作者。本研究受到来自科技部、中国科学院、国家自然科学基金委、北京师范大学等的资助支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-38972-x