贝勒医学院的研究人员发现，尽管在麻醉期间缺乏意识知觉，大脑仍保留着令人惊讶的复杂能力。这些发表在《自然》杂志上的发现，挑战了关于意识与思维之间关系的传统假设。它们还可能为大脑如何处理记忆和语言提供新的见解，从而有可能推动帮助神经损伤后患者进行交流的技术取得进展。
“我们的发现表明，大脑在无意识状态下的活跃程度和能力远超先前的认知，”贝勒医学院神经外科教授、Cullen Foundation讲席教授及McNair学者Sameer Sheth博士说。“即使患者处于完全麻醉状态，他们的大脑仍在继续分析周围的世界。”
记录全身麻醉期间的大脑活动
为了研究无意识大脑内部发生的情况，同时担任贝勒圣卢克医学中心神经外科医生的Sheth及其同事，研究了在全身麻醉下接受癫痫手术的患者。
这些手术提供了一个难得的机会来检查海马体，这是一个深度参与学习和记忆的大脑结构。海马体位于大脑颞叶内，帮助组织信息并在形成新记忆中发挥重要作用。
研究人员使用名为Neuropixels探针的先进记录设备，监测海马体中数百个单个神经元的电信号。这些微小的探针可以同时检测许多神经细胞的活动，从而提供神经元群体如何响应信息的详细图景。
研究人员表示，此前从未以这种方式使用该技术来研究这一特定大脑区域。它使团队能够在患者无意识且无法报告其体验时，检查海马体如何对声音和语言做出反应。
第一个实验涉及播放一系列重复的音调，偶尔被一个与其他音调不同的声音打断。
尽管患者处于麻醉状态，其海马体中的神经元对意外声音产生了不同的反应。更令人惊讶的是，随着实验的进行，这些脑细胞区分异常音调的能力变得更强。
这种改善表明海马体表现出了神经可塑性的迹象，即大脑通过经验改变其反应的能力。换言之，即使在没有意识知觉的情况下，一些与学习相关的基本过程似乎仍然保持活跃。
无意识的大脑能够处理语言并预测词汇
研究人员随后测试了无意识的大脑是否能够处理比简单声音更复杂的事物。
他们向麻醉状态的患者播放短篇故事，同时继续记录海马体神经元的活动。
结果显示了令人惊讶的语言处理水平。不同的神经活动模式包含了关于不同词汇类别的信息，包括名词、动词和形容词。这表明海马体在响应语言的有意义特征，而不仅仅是检测声音的出现。
但最引人入胜的发现更进一步。
研究人员发现，神经活动还携带了可用于预测句子中即将出现的词汇的信息。尽管患者处于无意识状态，他们的大脑似乎在预测周围正在展开的语言将如何继续。
“大脑似乎能够预测故事中接下来会发生什么，即使在没有意识知觉的情况下，”Sheth说，他同时也是德克萨斯儿童医院Duncan神经研究所内Gordon and Mary Cain儿科神经病学研究基金会实验室的主任。
这种能力与一种被称为预测编码的过程有关。大脑并非被动地接收信息，而是不断利用模式和过往经验来预测接下来可能发生的事情。例如，在听人说话时，大脑可以利用已经听到的词汇来形成对接下来可能出现的词汇的预期。
科学家通常在清醒且专注的人群中研究这种复杂的预测。在全身麻醉期间发现相关证据表明，至少有一些潜在的神经过程可以独立于意识知觉运作。
“这种预测编码是我们与清醒和专注状态相关联的现象，但它却发生在这里的无意识状态中，”贝勒医学院神经外科教授Benjamin Hayden博士说。
这一发现对意识意味着什么？
这些发现提出了重要问题，即意识究竟对大脑处理信息的能力做出了什么贡献。
意识通常与主观知觉相关联，包括听觉、思考和理解周围世界的体验。然而，这项研究表明，一些涉及解释语言和预测未来信息的神经过程，即使在这种知觉缺失的情况下也能继续进行。
这并不一定意味着麻醉患者有意识地理解了播放给他们的故事。相反，它表明大脑可以在一个人没有意识到的情况下，执行令人惊讶的复杂语言处理过程。
这种区分可以帮助研究人员更好地理解意识是如何产生的。
一种可能性是，知觉不仅取决于单个大脑区域是否保持活跃，还取决于信息如何在更大范围的大脑区域网络中进行协调和共享。
根据这种观点，即使产生意识体验所需的更大范围的大脑区域间交流被中断，海马体等结构仍可能继续分析信息。
大脑与人工智能之间令人惊讶的联系
这一发现还突显了人类大脑活动与人工智能（AI）之间一种有趣的相似性。
大语言模型是许多现代AI聊天机器人背后的技术，它们通过使用从海量语言数据中学习到的模式来预测接下来应该出现的内容，从而生成文本。
研究人员在海马体中观察到了相关的预测能力，即使在无意识状态下，神经信号也反映了关于即将出现的词汇的信息。
尽管生物大脑和AI模型的运作方式存在根本差异，但两者都能利用语言中的模式来预测未来信息。研究这些相似之处可能有助于科学家更好地理解预测机制在自然和人工系统中的运作方式。
这些发现还可能对脑机接口产生实际影响，脑机接口利用从大脑记录的信号与外部设备进行通信。
一个潜在的应用涉及言语假肢，这是一种旨在当损伤或神经系统疾病损害了人的说话能力时，帮助人们进行交流的技术。
如果科学家能够可靠地识别大脑中有意义的语言信号，这些信号最终可能被用于支持失去说话能力的患者的交流技术。
“我们能否利用这些信号，为大脑中因中风或损伤而受损的某些部分部署并运行言语假肢？这些是我们现在可以针对大脑这一部分进行思考的问题，”第一作者、贝勒医学院神经外科住院医师Vigi Katlowitz博士说。
科学家正在重新思考无意识大脑的极限
尽管结果令人瞩目，但研究人员强调仍有几个问题尚未得到解答。
这些实验是在一种特定类型的全身麻醉下进行的，因此这些发现不能自动推广到其他麻醉方法或无意识状态。
目前也不清楚在睡眠或昏迷期间是否会发生类似的语言处理，这两种状态与医学诱导的无意识状态有很大不同。
另一个重要的局限性是研究人员仅关注了海马体。还需要进一步的研究来确定其他大脑区域是否也存在类似的能力，以及在意识缺失时这些区域是如何相互作用的。
尽管如此，这些结果提供了令人信服的证据，表明无意识并不一定意味着大脑已经停止执行复杂的信息处理。
相反，即使一个人对周围世界没有意识知觉，大脑也可能继续分析模式、对意外事件做出反应以及预测语言。
“这项工作促使我们重新思考具备意识意味着什么，”Sheth说。“大脑在幕后所做的事情远比我们完全了解的要多得多。”