尽管这项技术已经存在数年，但尚未成为神经科学研究中的标准工具。现在，麻省理工学院（MIT）的两位研究人员正准备利用该技术进行新的实验，并发表了一篇论文，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能够以以前无法做到的方式，刺激健康受试者大脑的不同部位，”MIT研究员、该论文合著者Daniel Freeman说。“这不仅是一个对医学甚至基础科学有用的工具，还可以帮助解决意识的‘困难问题’。它可以探测大脑中产生痛觉、视觉，甚至像人类思维这样复杂事物的神经回路究竟在哪里。”
与其他大脑刺激方法不同，经颅聚焦超声不需要手术。与经颅磁刺激或电刺激等技术相比，它能以更高的精度触及大脑更深层的区域。
“既安全又有效的操控大脑活动的可靠方法寥寥无几，”研究意识的MIT哲学家、该论文合著者Matthias Michel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Freeman和Michel外，作者还包括佛罗里达大学心理学助理教授Brian Odegaard，以及布莱根妇女医院和哈佛医学院放射学副教授Seung-Schik Yoo。
为何研究大脑如此具有挑战性
理解人类大脑之所以特别困难，是因为研究人员通常无法以侵入式方式对健康人群进行实验。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等成像工具和各种形式的超声可以显示解剖结构，而脑电图（EEG）则记录整个大脑的电信号。然而，这些方法主要是观察活动，而不是直接影响活动。
经颅聚焦超声的工作方式不同。它发送声波穿过颅骨，并将其集中在一个精确的目标上，有时该目标仅有几毫米宽。这使研究人员能够刺激特定的大脑区域并观察效果，使其成为精心控制的实验的有前景工具。
“这确实是历史上第一次，人们可以在距离头皮几厘米深的大脑深处调节活动，并以高空间分辨率检查皮质下结构，”Freeman说。“大脑深处有许多有趣的情绪回路，但在此之前，除了手术室，你无法在其他地方操控它们。”
测试意识中的因果关系
该技术最重要的优势之一是其能够帮助识别大脑中的因果关系。目前的许多意识研究依赖于观察人们在处理视觉刺激或执行与觉知相关的任务时的大脑活动。虽然这些研究揭示了相关性，但它们并不总能表明大脑信号是创造了意识体验，还是仅仅跟随意识体验。
通过主动改变大脑活动，经颅聚焦超声可以帮助研究人员确定哪些神经过程对意识至关重要，哪些是次级效应。
“经颅聚焦超声为我们提供了该问题的解决方案，”Michel说。
关于意识运作机制的竞争性观点
在论文中，研究人员概述了如何利用该技术检验两大意识理论。一种观点被称为认知主义路径，认为意识体验取决于推理、反思和全脑信息整合等高级心理过程。这种视角通常强调额叶皮层的作用。
另一种观点有时被称为非认知主义路径，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质下结构。
研究人员提议利用聚焦超声探索诸如前额叶皮层在知觉中的作用、觉知是取决于局部大脑活动还是大规模网络、分离的大脑区域如何将信息整合为单一体验，以及皮质下结构在意识觉知中扮演何种角色等问题。
痛觉和视觉能揭示什么
使用视觉刺激的实验有助于识别意识知觉所需的大脑区域。类似的方法也可应用于痛觉，这是意识体验的另一个基本组成部分。例如，人们往往在有意识地感到疼痛之前就将手从热表面缩回。这就提出了关于痛觉究竟是在何处以及如何产生的问题。
“这是一个基础科学问题，即痛觉是如何在大脑中产生的，”Freeman说。“令人惊讶的是，这方面竟存在如此大的不确定性……痛觉可能源于皮层区域，也可能源于更深层的脑结构。我对疗法感兴趣，但我也好奇皮质下结构可能发挥了比我们所知更大的作用。痛觉的生理表现可能是皮质下的。这是一个假设。但现在我们有了一个工具来验证它。”
MIT的实验与日益增长的兴趣
Freeman和Michel不仅提出了未来研究的构想。他们正在积极规划实验，将从刺激视觉皮层开始，随后转移到额叶皮层的高级区域。虽然EEG等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JianCe的联系。
“说这些神经元是否产生了电反应是一回事。说一个人是否看到了光是另一回事，”Freeman说。
Michel还在帮助在MIT建立一个更广泛的意识研究社区。他与MIT脑与认知科学系Picower神经科学教授Earl Miller共同创立了MIT意识俱乐部。该小组汇集了多学科学者，并举办专注于意识研究进展的月度活动。
MIT意识俱乐部得到MITHIC（MIT人类洞察力协作组织）的部分支持，该倡议由人文、艺术与社会科学学院资助。
对Michel而言，经颅聚焦超声代表了该领域一个充满希望的方向。
“这是一种新工具，所以我们并不真正知道它在多大程度上会奏效，”他说。“但我觉得这是低风险、高回报的事情。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。