2021年1月4日发表在开放获取期刊《自然-人类行为》上的一篇论文,由大脑与认知中心主任古斯塔沃·德科(Gustavo Deco)撰写,探讨了人类大脑如何像一个交响乐团一样运作。在庆祝路德维希·范·贝多芬诞辰250周年的庆典中,赫伯特·冯·卡拉扬(Herbert von Karajan)指挥贝多芬经典交响乐的精彩表演不可或缺。
任何音乐交响乐的执行都是一项极其困难的任务,要求每位音乐家都具备非常显著的技能——但或许最困难的任务在于指挥,他必须协调音乐家们,使音乐整体活起来,触动我们最深层的情感。
在许多方面,人脑就像一个交响乐团,不同区域执行非常不同的处理任务,就像乐团中的每个音乐家需要能够读懂乐谱、演奏他们的乐器并聆听产生的音乐一样。然而,指挥的角色是不同的,即协调和协调每个音乐家的输出,形成一个有凝聚力的整体。没有指挥,音乐必然失败——正如费里尼(Fellini)的杰作电影《乐队排练》(Prova d'orchestra)中所美妙展示的那样。
已经有人提出,人脑类似于一个交响乐团,它是分层次组织的,但不太可能只有一个单一的指挥。相反,1988年心理学家伯纳德·巴尔斯(Bernard Baars)提出了“全球工作区”的概念,其中信息在一个小的“指挥”群体中整合,然后广播到整个大脑。这一广受赞誉的理论提出了一种优雅的解决方案,即层次组织如何通过组织信息流和必要的底层计算来协调大脑功能和行为,从而实现生存。
正如神经科学家斯坦尼斯拉斯·德哈恩(Stanislas Dehaene)和让-皮埃尔·尚热(Jean-Pierre Changeux)所指出的那样,这是一个关于意识的理论,他们提出了“全球神经工作区”假说,其中关联感知、运动、注意、记忆和价值区域相互连接,形成一个更高层次的统一空间,信息在此广泛共享并广播回低层次处理器。
通俗地说,大脑的全球工作区类似于一个组织中的小型核心人员;换句话说,就像一群冯·卡拉扬领导一个交响乐团。
然而,直到现在,人们还不知道这种协调在人脑中的位置和方式。只有在2021年1月4日发表在《自然-人类行为》上的新论文“重访全球工作区:人类大脑层次组织的协调者”中,研究人员才发现了一个功能性的“富人俱乐部”大脑区域,体现了这个“全球工作区”。
这一激进的新发现是由德科教授和莫滕·L·克林格巴赫(Morten L Kringelbach)的国际合作产生的,合作机构包括巴塞罗那庞培法布拉大学的大脑与认知中心、牛津大学的部门精神病学和奥胡斯大学的大脑中的音乐中心。基于超过1000名人类参与者的功能性磁共振成像(fMRI)记录的大数据集,这些发现为意识的本性带来了新的启示。
德科教授说:“为了识别全球工作区,我们通过应用标准化定向传递熵框架到多模态神经成像数据,确定了大脑区域之间的信息流,这是一组健康参与者。这首次揭示了一组独特的大脑区域,协调来自感知、长期记忆、评估和注意系统的信息,跨越许多不同的任务。此外,我们通过系统性地损害一个生成性全脑模型,确认了我们结果的因果意义和稳健性。”
克林格巴赫教授补充说:“我们的发现为神经科学中一个重大未解决的挑战性问题带来了启示。虽然这里呈现的结果与意识任务处理的全球工作区有关,未来的工作可以使用我们的框架来研究其他状态,如睡眠和麻醉,允许与其他意识理论进行直接比较。同样,我们的框架可以用于研究神经精神障碍中的不平衡脑状态,并用于扰动和重新平衡模型,以识别通向健康的新颖、因果路径。”