我們的意識存在于何處？這是《科學》（Science）列出的125個未解決的前沿科學問題之一。大腦是一個復雜的動態系統。大腦的全局意識水平的波動在時間尺度上引領著我們不同的主觀體驗。例如，從清醒到睡眠的交替、麻醉藥物作用下的意識消失、精神疾病或致幻劑引發的異常精神狀態等，分別對應不同的意識狀態。是否存在簡要的規律對應跨意識狀態下的復雜腦活動改變？正如哲學家David Chalmers所說，我們能否發現簡要到可以寫在T恤上的自然規則去理解意識。
中國科學院生物物理研究所李昂課題組、王曉群課題組，聯合北京師范大學劉冰課題組、首都醫科大學韓如泉課題組、西南大學雷旭課題組，通過發展多模態跨尺度融合的計算建模框架，分析不同意識狀態（包含麻醉、睡眠、靜息、困倦、精神疾病、迷幻等）下的功能影像數據，揭示了全局的意識狀態可能并不限于單獨的孤立腦區而是取決于拓撲空間中的層級動態模式，提出了壓縮的腦時空嵌套特征作為意識狀態的簡要神經表征；結合獼猴大范圍的顱內腦電數據、全腦轉錄組數據等進行了模型驗證及分子機制研究。6月5日，相關研究成果在線發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。
研究發現全局意識狀態的改變伴隨著腦自發活動可變性的顯著變化。這種變化空間上形成了從初級皮層，到額頂、默認等高級功能網絡的連續拓撲特征，因此假設腦的時空（時域的腦自發活動可變性與空域的腦層級化拓撲組織模式）嵌套表征可能反映當前大腦系統的意識狀態水平，更高的意識狀態需要更多地向高層級腦區靈活性配置。利用這一思想，研究發展了時空嵌套表征的個體化動態定量指標-層級分數。同時，研究發現：這一指標可在個體水平區分清醒、麻醉與恢復等不同的意識狀態；可在個體水平動態捕捉到不同的睡眠分期，與人類專家標注的睡眠深度高度吻合；可捕捉到傳統靜息態掃描中被試困倦的狀態，與睡眠質量、反應速度及任務準確率等相關；可有效鑒別同一個體何時位于較高的“能量狀態”，且與個體自主報告的注意力、困倦水平顯著相關。研究顯示，相比于安慰劑，致幻劑可以引起志愿者層級分數的顯著升高；在跨診斷精神疾病患者中層級分數與陽性癥狀顯著正相關，尤其是非常規思維、幻覺、定向力喪失等，提示該時空嵌套表征的偏離可能幫助理解異常意識狀態的神經機制。
研究進一步揭示了時空嵌套神經表征的連續腦狀態維度，伴隨著全腦網絡水平更復雜的整合與連接模式變化，潛在支持了高意識狀態所需的網絡配置。進而，研究結合時空動態循環模式、轉錄組數據和高場磁共振的聯合分析，提示這種時空嵌套神經表征可能受到與覺醒有關的大范圍循環時空活動所調節，且與下丘腦的中樞組胺能神經系統關聯。上述研究從多維度視角支持了經典意識理論模型的不同方面，進而構建了新的意識狀態的可解釋模型。同時，研究分析了在睡眠、麻醉等不同意識狀態下稠密采樣的2只獼猴的顱內腦電數據，復現了相關的核心實驗結果。
該研究可引出一些新問題。例如，人類清醒狀態下高級腦區的復雜動態性是如何支持人類行為？如何優化個體化預測模型以減輕不同意識狀態的潛在影響？該團隊正在開展新研究來剖析這些問題。
研究工作得到科學技術部、中國科學院和國家自然科學基金委員會等的支持。
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