华人科学家重磅发现！意识之谜被解开，大脑每60毫秒偷偷切换一次

鲁宾花瓶（Rubin's vase）是一张经典的视错觉图像，盯着它看时，画面一会儿是白色花瓶，一会儿是两张相对的黑色侧脸。它牵涉一个关键的神经科学问题：大脑究竟如何让我们交替感知到两种画面？在图像不变的前提下，这种挑选发生在哪里、如何发生？

上世纪 90 年代，诺贝尔奖得主、DNA 双螺旋结构发现者之一弗朗西斯·克里克（Francis Crick）推动神经科学家寻找与意识体验直接对应的神经活动。

此后的研究者大多借助双眼竞争（binocular rivalry）开展实验：给两只眼睛分别展示不同的图像，人一次只能意识到其中一幅，以此分离出意识信号。

围绕这个信号所处的位置，学界形成了两大阵营，一方认为意识依赖以前额叶为核心的广播网络，另一方认为大脑后部的感觉皮层已经足够。

为了分出高下，两派学者共同设计了一项大规模实验，事先公开写明各自理论的预测和失败条件。2025 年，这场对决的结论发表于《自然》（Nature）：后部皮层并未出现预期的持续同步活动，前额叶也只能解码部分意识内容，双方的核心预测都缺乏充分支持。

他们在猕猴实验中发现，即便画面和主观感知都保持不变，大脑中同一群神经元也会以每秒约 15 次的速度，在“有意识”和“无意识”之间来回切换。研究者苦寻多年的纯粹意识信号，就藏在其中一半的时间里。

曹颖随后在社交平台上介绍这项工作，称其颠覆了数十年来对意识生物学基础的认识。此前，意识研究一直试图在大脑的地图上寻找答案，这项工作提示我们，答案也可能写在时间轴上。

从面孔走向意识

曹颖过往开展的一系列工作是实现此次突破的前提。她本科就读于加州理工学院（Caltech）生物与数学专业，2002 年获哈佛大学（Harvard University）神经科学博士学位。

2024 年，她因发现猕猴脑中的面孔斑块系统、破解面孔神经编码（通过神经元放电重建面孔图像），与德国神经科学家温里希·弗莱瓦尔德（Winrich Freiwald）等人同获卡弗里神经科学奖（Kavli Prize in Neuroscience）。

近年来，曹颖逐渐转入对意识问题的研究。2020 年，她与当时在 Caltech 攻读博士的亚尼斯·黑塞（Janis Hesse）发表了一项无报告范式的双眼竞争研究，通过猴子的眼动和瞳孔变化推断它看到的图像，省去训练动物按键报告的环节，排除了这一动作对神经信号的干扰。

研究还发现，下颞叶皮层（大脑中负责高级视觉识别的区域）的面孔细胞确实会随意识感知变化，但在单次试验中，动物意识到的图像和抑制的图像都能被解码。

这留下了一个困扰两人近十年的悖论：领域经典叙事认为，大脑前部存在纯粹的意识表征，而他们实际记录到的信号与意识的关联在每个脑区都显得很弱。

曹颖形容两人“被自己的预期困住了”。事实上，自上世纪 90 年代，研究者开始在猴子身上记录双眼竞争中的神经元起，人们就反复发现，神经元在竞争条件下对意识感知的区分，明显弱于两幅图像单独呈现时的区分。

目前，曹颖出任非营利研究机构阿斯特拉研究所（Astera Institute）神经科学项目的首席科学家，致力于理解大脑产生意识体验、认知和智能行为的具体机制。

捕捉“有意识”和“无意识”的切换

新研究采用了经典的双眼闪光抑制方法：先只给一只眼睛看一幅图，再突然向另一只眼呈现第二幅图。新出现的图像几乎总会“抢占”意识，先前那幅图虽然仍在眼前，却从感知中“消失”了。

随后，团队让两只恒河猴观看同类刺激，同时把神经像素（Neuropixels）探针插入其两个下颞叶面孔斑块和两个前额叶皮层（负责决策、计划等高级认知功能）区域。这种探针一次能同时捕捉数百个神经元的放电，让研究者得以在单次试验内部，逐毫秒追踪整个神经元群体即时表征的内容。

按传统方法，如果把一段时间内的神经活动平均起来，下颞叶神经元对意识感知的区分强度依然只有图像单独呈现时的约四分之一。

但这次，团队把每次试验切成 10 毫秒一段，逐段判断此刻的群体活动更接近“看到面孔 A”还是“看到面孔 B”时的模式。

结果出乎团队预料：画面和感知都稳定时，神经元群体每隔约 60 毫秒，就会在表征看见的脸和没看见的脸之间来回切换。研究把这两类时段分别命名为“意识微时段”和“抑制微时段”。

按状态拆开计算，意识微时段里神经元对感知的区分强度几乎恢复到图像单独呈现时的水平，抑制微时段则正相反。这揭示，过去观察到的“弱信号”，是两段方向相对的强信号相互抵消了。

更关键的是，研究并未找到“专管意识”和“专管无意识”的两群细胞，同一面孔细胞会先后按两张脸的特征放电。用意识微时段的神经活动可以重建出猴子看见的那张脸；用抑制微时段的活动则能重建出它没看见的那张。消除统计伪影后，结论依然成立。

时间是关键

研究不仅揭开了持续三十多年的谜题，更为意识研究提供了新的维度：时间。

开头提到，两派按脑区划分意识信号的出处，但曹颖团队在前额叶和下颞叶都做了记录，发现哪一处都没有稳定存在的意识信号，神经元始终在两张脸之间轮流切换。

这直接动摇了认为“意识信号会稳定待在某个脑区”的默认前提。过去实验大多把长时间活动平均处理，人脑成像的时间精度较粗，可能测不出每60毫秒一次的快速信号切换。

既然同一群神经元轮流表征两张脸，大脑又如何区分该感知到哪一张？按常理推测，最终感知到的那张脸应该让神经元放电更强，数据却显示，无感知的时间里，整体放电反而略强一些。

两种状态的区别实际上在于神经元对面孔变化的敏感度：在意识微时段里，神经元的放电反应更明显；而进入抑制微时段时，同一批神经元的反应则平缓一些。

研究中，还有一组数据展现了意识机制的复杂性：团队同时记录的两个下颞叶面孔斑块，它们的切换节奏像是各自打拍子，关联很微弱。可人在任何时刻只会看到一幅图，如果各个脑区各切各的，这种统一的感知如何形成，目前依旧是个谜。

无意识的画面也会改变行为？

这与心理学中的一些经典发现形成呼应：一张恐惧面孔在屏幕上一闪而过，受试者毫无察觉，大脑中处理情绪的杏仁核却已经有了反应。人没有意识到自己看过的东西，依然会影响判断、注意和情绪。如果大脑始终保存着这些“未见之物”的完整内容，它们能左右行为也就不奇怪了。

让同一群神经元分时段处理不同信息的机制在大脑中并不少见。曹颖实验室此前发表的研究也发现，下颞叶的同一群神经元会在不同时刻，分别处理眼前看到的面孔和对熟悉面孔的记忆。

意识与无意识的轮替，可能只是大脑这套通用策略的又一种用法。

要进一步证明意识与这种快速切换之间存在因果关系，必须进行主动干预，曹颖在阿斯特拉研究所的研究计划就包括对神经回路开展大规模操控等。

参考内容：

注：封面/首图由 AI 辅助生成