2025年4月4日，国际期刊《Science》发表了一篇题为“Human high-order thalamic nuclei gate conscious perception through the thalamofrontal loop”的研究论文。这项研究由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教授团队、中国人民解放军总医院神经外科赵虎林教授团队以及北京师范大学、琶洲实验室李小俚教授团队共同完成。
研究背景
意识是我们日常生活中最熟悉却又神秘的现象之一。它包括两个方面：一是意识状态，比如我们是清醒的、睡着的还是处于昏迷状态；二是意识内容，也就是我们具体感知到的东西，比如看到的颜色、听到的声音等。过去的研究发现，丘脑高阶核团（大脑深处的一些小结构）的活动和意识状态关系密切，但它们是怎么直接影响我们瞬间的意识感知（比如在短时间内意识到一个物体的存在），一直是个谜。以往的研究大多集中在大脑皮层（大脑表面那层复杂的褶皱），而对丘脑等皮层下的结构关注较少。虽然有理论提出丘脑可能在意识感知中起到“把关”的作用，但一直缺乏直接的人类研究证据。过去认为丘脑只是把感觉信息传递给大脑皮层，让我们有意识地感知世界，但新的研究发现，丘脑可能直接参与了意识感知的过程，而且丘脑内部的不同核团功能差异很大，它们在意识感知中各自扮演什么角色，还需要进一步研究。由于技术限制，之前很难精确地记录人类丘脑核团和丘脑 - 皮层环路的神经活动，而这项研究通过同时记录这些区域的活动，为解开意识感知的谜团提供了独特的机会。
研究方法与实验设计
研究人员让患者完成一项特别设计的视觉任务，同时记录了他们大脑中多个丘脑核团和前额叶皮层（大脑中负责高级认知功能的区域）的立体定向脑电图（sEEG）数据。这个任务巧妙地设计了有意识和无意识条件下的眼跳反应，使得研究者能够区分出哪些脑活动是和意识感知直接相关的，而不是仅仅和报告任务有关。具体而言，参与者需要注视屏幕中央的一个固定点，然后在其一侧会出现一个短暂的视觉刺激，刺激的清晰度会根据参与者的感知阈值进行调整。之后，固定点的颜色会变化，并出现两个眼跳目标，参与者需要根据是否看到刺激以及固定点的颜色来决定看向哪个目标。实验设置了不同对比度的刺激条件，包括高对比度（容易被察觉）、近阈值对比度（感知概率不确定）和零对比度（没有刺激）三种情况，以此来评估参与者对任务的理解和执行情况。
研究结果
sEEG数据表明显示，和腹侧核团（丘脑的另一部分）以及前额叶皮层相比，板内核和内侧核（丘脑中的两个核团）在意识感知过程中表现出了更早且更强的活动。这种活动表现为事件相关电位（ERP，即大脑对特定事件的电活动反应）和事件相关频谱扰动（ERSP，即大脑电活动频率的变化）。当参与者开始有意识地感知到视觉刺激时，丘脑和前额叶之间的神经同步（即不同脑区的活动协调一致）和跨频耦合（不同频率的脑电活动相互关联）是由板内核和内侧核的θ波（一种低频脑电波，频率在2 - 8Hz）驱动的。而且，这两个核团和外侧前额叶皮层（LPFC，前额叶的一个重要部分）之间的联系在意识感知期间比和其他前额叶区域的联系更强。进一步的分析还发现，当解码意识感知（判断参与者是有意识还是无意识地感知到刺激）时，准确率比解码其他任务相关事件（比如刺激的对比度、规则提示、眼跳方向和反应时间等）要高。
研究结论
这项研究通过直接记录人脑中的电活动，证实了板内核和内侧核在意识感知的快速过程中起到了“把关”的作用。具体来说，当意识感知出现时，这两个核团比腹侧核团更重要，并且它们和外侧前额叶皮层之间的相互作用对意识感知至关重要。此外，丘脑 - 额叶环路中的活动主要编码与意识相关的信息，而不是其他任务相关的信息。这些发现不仅帮助我们更好地理解人类意识的神经基础，还可能对临床上意识障碍患者（比如“植物人”）的诊断和治疗提供新的思路。这项研究被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”的研究以及“令人激动的发现”。
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（李小俚教授）、国家自然科学基金（张鸣沙教授）的资助。
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