科学家至今仍不清楚大脑如何将物理活动转化为思想、情感和意识——但一种强大的新工具或许能帮助解开这个谜团。麻省理工学院的研究人员正在探索经颅聚焦超声技术，这种无创技术能够精准刺激此前无法触及的大脑深层区域。在一篇新的"路线图"论文中，他们阐释了这种方法如何最终让科学家在意识研究中检验因果关系，而不仅仅是观察相关性。
尽管这项技术已经存在了几年，但它尚未成为神经科学研究的标准工具。现在，麻省理工学院的两位研究人员正在准备使用这项技术进行新的实验，并发表了一篇论文，该论文作为将其应用于意识研究的详细指南或"路线图"。
"经颅聚焦超声将让你以以前无法做到的方式，刺激健康受试者大脑的不同部位，"麻省理工学院研究员、该论文的合著者丹尼尔·弗里曼说。"这是一种不仅对医学甚至基础科学有用的工具，而且可能有助于解决困难的意识问题。它可以探究大脑中哪些神经回路产生痛觉、视觉，甚至像人类思维一样复杂的东西。"
与其他大脑刺激方法不同，经颅聚焦超声不需要手术。与经颅磁或电刺激等技术相比，它可以更精确地到达大脑更深的区域。
"能够可靠地操纵大脑活动且既安全又有效的方法非常少，"研究意识的麻省理工学院哲学家、该论文的合著者马蒂亚斯·米歇尔说。
这项题为"经颅聚焦超声用于识别意识知觉的神经基质"的研究发表在《神经科学与生物行为评论》上。除了弗里曼和米歇尔，作者还包括佛罗里达大学心理学助理教授布赖恩·奥德加德，以及布里格姆妇女医院和哈佛医学院放射学副教授柳承植。
为什么研究大脑如此具有挑战性
理解人类大脑特别困难，因为研究人员通常不能以侵入性方式对健康人进行实验。除了神经外科手术，科学家探索深层大脑结构的选择有限。MRI和各种形式的超声等成像工具可以显示解剖结构，而脑电图则记录大脑中的电信号。然而，这些方法主要是观察活动，而不是直接影响它。
经颅聚焦超声的工作原理不同。它通过颅骨发送声波，并将其汇聚在一个精确的目标上，有时只有几毫米宽。这使得研究人员能够刺激特定的大脑区域并观察效果，使其成为精心控制实验的有前途的工具。
"这确实是历史上第一次可以调节大脑深处、距离头皮几厘米的地方，以高空间分辨率检查皮层下结构，"弗里曼说。"大脑深处有很多有趣的情绪回路，但直到现在，你还不能在手术室外操纵它们。"
检验意识的因果关系
这项技术最重要的优势之一是它能够帮助识别大脑中的因果关系。许多当前的意识研究依赖于在人们处理视觉刺激或执行与意识相关的任务时观察大脑活动。虽然这些研究揭示了相关性，但它们并不总是显示大脑信号是创造了有意识的体验还是仅仅跟随其后。
通过主动改变大脑活动，经颅聚焦超声可能帮助研究人员确定哪些神经过程对意识是必不可少的，哪些是次要效应。
"经颅聚焦超声为我们解决了这个问题，"米歇尔说。
关于意识如何运作的竞争性观点
在他们的论文中，研究人员概述了如何使用这项技术来检验两种广泛的意识理论。一种观点，称为认知主义方法，认为有意识体验依赖于更高层次的心理过程，如推理、反思和大脑中信息的整合。这种观点通常强调前额叶皮层的作用。
另一种观点，有时称为非认知主义方法，认为意识不需要复杂的认知机制。相反，特定的大脑活动模式可能直接产生特定的体验。从这个角度来看，意识可能产生于更局部的大脑区域，包括皮层后部区域或更深的皮层下结构。
研究人员建议使用聚焦超声来探索一些问题，例如前额叶皮层在感知中的作用、意识是依赖于局部大脑活动还是大规模网络、不同的大脑区域如何将信息整合成一个单一的体验，以及皮层下结构在有意识知觉中扮演什么角色。
疼痛和视觉能揭示什么
使用视觉刺激的实验可能有助于识别哪些大脑区域是意识知觉所必需的。类似的方法也可以应用于疼痛，这是意识体验的另一个基本组成部分。例如，人们通常在感觉到疼痛之前就把手从热的表面缩回来。这引发了一个问题：疼痛感究竟在哪里以及如何产生的。
"这是一个基础科学问题，疼痛是如何在大脑中产生的，"弗里曼说。"令人惊讶的是，存在如此大的不确定性……疼痛可能源于皮层区域，也可能源于更深的大脑结构。我对疗法感兴趣，但我也很好奇皮层下结构是否扮演着比我们意识到的更重要的角色。疼痛的物理表现可能是皮层下的。这是一个假设。但现在我们有了一个工具来检验它。"
麻省理工学院的实验与日益增长的兴趣
弗里曼和米歇尔不仅在为未来的研究勾勒想法。他们正在积极规划实验，这些实验将从刺激视觉皮层开始，然后转移到前额叶皮层的更高级区域。虽然像脑电图这样的工具可以显示神经元何时对视觉输入做出反应，但这些新研究旨在建立大脑活动与个人实际体验之间更清晰的联系。
"说这些神经元有电反应是一回事。说一个人看到了光则是另一回事，"弗里曼说。
米歇尔也在帮助在麻省理工学院建立一个更广泛的意识研究社区。他与麻省理工学院大脑与认知科学系皮考尔神经科学教授厄尔·米勒共同创立了麻省理工学院意识俱乐部。该小组汇集了来自多个学科的学者，并每月举办聚焦于意识研究进展的活动。
麻省理工学院意识俱乐部得到了MITHIC（麻省理工学院人类洞察力合作组织）的部分支持，该计划由人文、艺术与社会科学学院支持。
对于米歇尔来说，经颅聚焦超声代表了该领域一个有前景的方向。
"这是一个新工具，所以我们并不真正知道它能在多大程度上起作用，"他说。"但我觉得这是低风险、高回报的。为什么不走这条路呢？"
论文中描述的研究得到了美国空军部的支持。