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圖中光亮區域為丘腦。丘腦是產生意識的核心器官。大腦信息『總機操作員』丘腦枕是丘腦的一部分。(Gettyimages供圖)
信文君教授
最新研究顯示大腦存在神秘信息『總臺』,為治療精神分裂癥提供新方向
人類的大腦為何能處理如此海量的信息?這個問題一直成謎。最近,普林斯頓大學科學家的相關研究取得新突破。他們發現,在人腦的深處有一個叫做丘腦枕的區域,它就像個信息『總機操作員』,負責將外界的刺激信息分類整理。研究人員指出,這一發現有望為因注意力缺乏而導致的紊亂類疾病帶來新療法,如注意力缺陷多動障礙、精神分裂癥等。另一項新研究則指出,人在睡眠時事實上也能有限度地進行學習。大腦處理信息有哪些奧秘?一心多用可能嗎?記者走訪相關專家,解讀這些新鮮有趣的科學。
人在睡眠中具備
一定的『學習』能力
『睡眠中的自由呼吸』實驗
人類在清醒時,會聽從以丘腦枕為主導的『總機操作員』的指示,對信息進行處理。那麼在睡眠中,人腦是否處於一個相對『休眠』的狀態呢?科學家們近期也有新發現。以色列魏茨曼科學研究院已通過實驗證實,在睡眠中學習存在可能性。
研究者Prod Noam Sobel和他的團隊對志願者做了睡眠學習實驗:讓他們在放有氣體並伴隨著音調的環境中睡眠,很快,他們就對應氣體及其音調做出了相似的呼吸節奏。這些固定搭配的音樂和氣體有幾點優勢,它不但不會喚醒熟睡的人,而且能在人們熟睡時推動大腦的進程甚至反應。研究者發現,在實驗中,大腦在沈睡時比在清醒時會做出更多行為:當聞到香味時人們會深度呼吸,而對於難聞的氣體則會停止吸入。
研究者分別對志願者睡眠和清醒時的呼吸變化做了記錄,這種情況看似簡單,但是卻關聯著我們大腦更高級的區域,包括大腦中有助於記憶形成的海馬體。
志願者被安排在特殊的實驗室進行實驗,睡眠被全程監視。在他們熟睡中,不同的音調會伴隨不同香臭味的氣體響起。在一個愉快氣氛下的氣體轉換後,音調也會改變。通過一晚關聯實驗的加強,志願者會隨著音調做出不同深淺度的呼吸,仿佛氣體還在一樣。次日,醒來的人們在沒有氣體的伴隨下再次單獨聽音調,雖然他們對前晚的音樂毫無意識,但他們的呼吸方式卻令人驚訝:當前一天晚上伴隨香氣的音調響起時,人們會做出深度呼吸;反之,那些伴隨臭氣的聲音響起,他們的呼吸就變得尤為短促和淺薄。
人在做夢時『學習能力』最高
在動物界,當屬海豚的睡眠方式最特別:一半大腦休息,另一半照常感知周圍情況。而人類的大腦在不同的睡眠階段,也擁有不同的信息處理能力。
『人的睡眠階段分為慢波睡眠和快動眼睡眠,它們在整個睡眠過程中多次循環和重復。慢波睡眠的行為表現主要是循環系統、呼吸系統和交感神經的活動水平均降低,且喚醒閾的變化與腦電所顯示的睡眠深度相一致;快動眼睡眠的主要特征是眼球快速運動以及呼吸不規則、血壓昇高、心率加快,此時的喚醒閾較慢波睡眠時高。』信教授表示。如將受試者在此時期喚醒,大多訴說正在做夢,而在慢波睡眠期被喚醒則沒有做夢,這表明快動眼睡眠期間,至少有一部分神經元是活躍的。因此有研究認為,快動眼睡眠期大腦的不同部位仍對接受的信息進行加工處理,因而有利於記憶信息的儲存。
『睡眠學習』具有一定局限性
通過實驗,研究者們認為,人腦在睡眠中不僅會獲取新信息,並且會在清醒後無意識地改變行為。但人類在睡眠中的這種信息處理能力是有限的。對於一名英語學習者而言,是否能夠通過在睡眠中收聽單詞拼寫錄音,而在醒來後記住那些單詞?信教授的答案是否定的。『學習英語這類活動是一個高級的條件反射,它需要個體有意識地去主動建立條件反射,睡眠中收聽單詞是被動過程,因此不可能在醒來後記住那些單詞。在睡眠中聽單詞是一種信息刺激,它是否會在大腦中形成痕跡,還需進一步研究。』
信教授表示,首先,研究者的上述實驗是一個條件性反射實驗,類似於巴普洛夫的搖鈴後狗分泌唾液的實驗。『對於動物個體而言,基本的條件反射是生存必不可少的。實驗反映的情況也可能是清醒後無意識地改變行為的現象,但這樣的基本條件反射在個體是不多的。人腦在睡眠中處理信息的能力是具有局限性的,但如果個體整天思考某一件事情,那麼睡眠後參與思考的一些神經元會持續活躍。』他說。目前,對於該項目的研究者Anat Arzi來說,找出睡眠學習的局限性成為下一步研究的關鍵。
大腦存在神秘信息『總臺』
丘腦枕:大腦信息『總機操作員』
不少人都曾有過『一心多用』的經驗——邊開會邊刷微博,或者邊回復郵件邊打電話。這並不是一種『特殊本領』,對於神奇的大腦而言,『一心多用』其實存在一點小『貓膩』。俄羅斯《報紙報》網站曾發表《愷撒大帝並不能一心多用》一文,說明大腦同時做兩件事只是一種幻覺,其實是前額葉快速地不斷從一件事轉換到另一件事。研究人員將其研究成果寫成文章發表在《神經元》月刊上,同時表示這些轉換需要一定的時間,而這個時間的數值可以通過練習來縮短,但最終不能縮短到任意小的數值。因此,兩件事情『同時進行』的真相是大腦在兩個事件之間作出迅速轉換。
那麼,究竟是『誰』在暗地裡操控大腦信息處理的轉換,以及安排信息處理的先後順序?
普林斯頓大學的科學家們最近揭開了這個謎底。他們發現人腦中一個名為丘腦枕的區域在扮演『總機操作員』的角色,以確保其他區域中外部信息的傳播,對人的行為起關鍵作用。這個發現很有趣,與我們的生活息息相關。例如當我們走在一條繁華的馬路上,周圍充斥著各種聲音和畫面,大腦這位負責任的『總機操作員』會在如此喧鬧的環境中及時屏蔽其他信息,將人的注意力鎖定在一些危險或突發的情況上——無論是擦肩而過的車輛,還是迎面而來莽撞的行人,確保你能夠及時地閃避。這些當然都是『總機操作員』的功勞。
大腦優先處理關乎生存的信息
中山大學神經領域專家信文君教授在接受本報專訪時介紹,大腦『總機操作員』丘腦枕,實際上是丘腦的一部分。『我們都知道丘腦是感覺信息傳入高位中樞最終的中轉站,不同的感覺信息在此處被加工處理,並最終傳入到終端,形成不同的感覺。』因而,丘腦枕扮演『總機操作員』的角色是不難理解的。
然而,就丘腦枕本身而言,它也分成好幾個部分,可能每一個部分的作用不盡相同。『我認為丘腦枕不是唯一的「總機操作員」,在大腦中一定還有其他的核團能夠起到相似的作用。』信教授說,『舉個經典的例證,多年來,人們一直認為大腦腹側被蓋區的多巴胺能神經元在各類藥物成癮中起關鍵作用,因此人們設想如果將大腦腹側被蓋區切除就應該可以治療成癮或者就不會成癮,但現實是切除腹側被蓋區的患者成癮癥狀並沒有解除,這表明腦內一定還有其他核團參與了成癮的形成。』
當我們清醒時,總會有海量信息在衝擊五官,從而形成各種感受。於是我們感到好奇,當大腦因為信息太多而無法同時做詳細的處理時,它會如何進行判斷?
信文君教授表示,出於本能,大腦會優先處理關乎生存的信息,比如危險信息或者有利於生存的信息,這應該是信息處理的基本規律。『現實中是不太存在大腦因為信息太多而無法同時詳細處理這種情況的,因為每時每刻進入大腦的信息非常多,其中絕大多數無用的部分都會被自動屏蔽掉,這些無用的信息並不能形成有效的神經衝動。』只有那些對個體發展有用的信息纔能誘發動作電位,從而使信息傳入到高位中樞。
為治療神經紊亂類疾病帶來希望
以往的觀念認為,視覺信息只是通過視覺皮層區的神經網絡來傳輸,而新發現表明,丘腦枕是個重要的神經傳輸調控器。這篇關於丘腦枕最新發現的論文《皮層區丘腦枕的信息傳播基於注意力需求》發表在今年8月的《科學》雜志上,受到了美國科學基金會、美國國家眼科研究所和美國國家健康研究所的支持。
信教授表示,對於注意力容易分散或總是無法集中的人群而言,除了外界客觀原因的影響之外,也與自身生理原因(神經系統)相關。『自身生理原因(神經系統)一定是注意力容易分散或總是無法集中的一個重要原因,比如小腦發育不良即可導致注意力缺乏。』他說,『腦損傷或者大腦某些領域的異常也一定會對人的行為有所影響,比如很多腦腫瘤患者會出現步態不穩、記憶力下降和性格突變等癥狀。』
通過實驗研究,能幫助人類進一步了解大腦如何進行信息傳輸,最終的研究結果將服務於人類。信教授同樣認為,神經科學的本質就是揭示大腦如何傳輸信息,最終解決所有神經系統疾病。但新發現是否有望為因注意力缺乏而導致的紊亂類疾病帶來新療法,他覺得還為時尚早。『就像前面我所講的,任何一個單獨的核團都不足以成為解決某一類疾病的全部,因為我們知道大腦是一個網絡,在網絡中每一個節點都是重要的,但並不是某一個節點的缺失就會導致網絡的癱瘓。』