北京师范大学，发 Science

来源：北京师范大学

近日，北京师范大学心理学部认知神经科学与学习国家重点实验室、IDG/麦戈文脑科学研究院张鸣沙团队与中国人民解放军总医院神经外科赵虎林团队、北京师范大学李小俚团队合作，在国际期刊《Science》发表了题为 「Human high-order thalamic nuclei gate conscious perception through the thalamofrontal loop」 的研究论文。该研究通过结合新的视觉意识范式和丘脑-前额叶颅内脑电同时记录，揭示出人类丘脑高阶核团通过丘脑-前额叶环路调控意识感知的重要机制，极大挑战了当前意识研究领域以大脑皮层中心的主流观点，为解决当前意识理论间的争议提供了重要证据。

张鸣沙课题组博士生房泽鹏为论文第一作者，中国人民解放军总医院主治医师党圆圆、李小俚课题组博士生平安安为论文共同第一作者；北京师范大学教授张鸣沙（Lead Contact）、李小俚，中国人民解放军总医院主任医师赵虎林为共同通讯作者。

探索人类意识的神经基础是现代科学中最令人兴奋且最具挑战性的任务之一。意识至少存在两种不同的模式：意识状态（清醒、睡眠和昏迷等）以及意识内容（特定的意识体验/感知）。前人研究已表明人类高阶丘脑核团的活动与意识状态密切相关。然而，这些丘脑核团以及丘脑-皮层的相互作用如何直接作用于人类意识感知的瞬时过程（毫秒级），目前尚不清楚。大多数研究都致力于在大脑皮层中寻找与意识感知相关的神经机制，但相对较少有研究探索包括高阶丘脑核团在内的皮层下结构的功能作用。最近有研究者提出，高阶丘脑核团在意识感知过程中起到调节皮层活动的 「 门控 」 作用，然而，目前缺乏来自人类研究的直接实证证据来支持这一观点。

传统观点认为，丘脑的功能在于传递感觉信息至皮层，因而是意识感知的前提条件，而非直接参与意识感知。然而，这一假设受到了新的理论假说和实证证据的挑战。来自解剖学和神经影像学研究证据表明，人类丘脑直接参与了多种认知功能。虽然一些意识理论提出丘脑-皮层环路在人类意识感知中可能发挥关键作用，但意识相关信息在这些环路中如何处理和传递基本是未知的。此外，由于丘脑核团在功能上存在很大差异，因此有必要明确不同丘脑核团在意识感知中的各自作用。然而，由于技术限制，要在人类丘脑核团和丘脑-皮层环路中精确捕捉（高空间和时间分辨率）神经活动非常困难。对人类丘脑核团和丘脑-皮层环路进行同时颅内记录，为揭示意识感知出现时丘脑-皮层环路的动态过程提供了独特的机会。

在患者执行一项新颖的视觉意识任务时，研究者同时记录了多个丘脑核团和前额叶皮层（PFC）的立体定向脑电图（sEEG）数据。在这个任务中，有意识和无意识条件下的眼跳反应相匹配，这种设计最小化了与报告相关和与意识相关的神经活动之间的混淆。sEEG 数据表明，与腹侧核团和前额叶皮层相比，板内核和内侧核呈现出更早、更强的意识相关活动，包括事件相关电位（ERP）和事件相关频谱扰动（ERSP）。在意识感知出现期间，瞬时的丘脑-额叶神经同步和跨频耦合均由板内核和内侧核活动的 θ 波相位（2-8 Hz）驱动。在意识感知期间，这两个丘脑核团与外侧前额叶皮层（LPFC）之间的耦合比与前额叶皮层的其他亚区更强。对板内核、内侧核和外侧前额叶皮层中刺激诱发活动的进一步解码分析表明，相较于解码其他与任务相关的事件（如刺激对比度、规则提示、眼跳方向和眼跳反应时间），在解码意识感知（有意识与无意识）时的准确率时是最高的。

通过在人脑进行 sEEG 记录，该研究提供了人脑内的直接证据，支持了板内核和内侧核在快速的意识感知过程中起 「 门控 」 作用这一观点。更具体地说，在意识感知出现期间，板内核和内侧核比腹侧核团发挥着更重要的作用。起源于板内核和内侧核的、与外侧前额叶皮层间的相互作用，可能在意识感知中发挥至关重要的作用。此外，丘脑-额叶环路中的刺激诱发活动主要编码与意识相关的信息，而非其他任务相关的事件。这些结果支持了板内核和内侧丘脑核团在意识感知出现期间作为 「 门控 」 来调节前额叶皮层活动的假说。该成果不仅在加深了对人类意识的神经基础的理解，也有望助力于临床上意识障碍病人（如 「 植物人 」）残存意识的精准检测与干预治疗，被多位国际同行审稿人称赞为 『 里程碑式的 』、『 非常有趣，原创和有影响力 』 的研究及 『 令人激动的发现 』。

张鸣沙课题组硕士生王晨雨、清华大学教授赵千川对本研究作出重要贡献。该研究得到了中国科技创新 2030-脑科学与类脑研究重大项目、国家自然科学基金等资助。

文章链接

https://doi.org/10.1126/science.adr3675

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