太長不看版：
- 很長一段時間以來科學家都認為注意力首先是一種大腦皮層現象。 1984年，第一次有人提出了不同意見。
- 弗朗西斯·克里克認為，感覺丘腦不僅是一箇中繼站，它會堵住一些數據流，以此在某種程度上集中注意力。
- 對小鼠的實驗發現，如果小鼠需要優先接收聽覺信息，前額皮質會告訴視覺抑制區增強其活動，以抑制視覺丘腦，剝離無關的視覺數據。
我們能在充滿了人聲和各種雜音的房間裡交談；能在茫茫多的雜物裡找到一把鑰匙；能發現一隻突然衝到車前的小動物。即便感官同時接收著大量信息，我們依然能通過某種方式集中注意力，做好重要的事。
注意過程是大腦對相關刺激打上探照燈，並過濾其他內容的方式。為了確定瞄準和驅動這一探照燈的神經迴路，過去數十年來，研究主要集中在大腦皮層這一結構進行，它包裹著大腦，通常與智力和高階認知有關。大腦皮層的活動會促進感覺處理，從而提高相關表現。
一直以來，人們認為注意過程是大腦對相關刺激打上探照燈，並過濾其他內容的方式 | Pixabay
但現在，一些研究者試圖換個方向，研究大腦會如何抑制信息，而不是增強信息。更重要的點或許在於，他們發現這一過程會牽涉到大腦更深處的古老區域——在研究注意力時通常並不會被納入考量的區域。
不僅是中繼站，還是看門人
由於注意力似乎與意識和其他的複雜功能關係緊密，很長一段時間以來科學家都認為它首先是一種大腦皮層現象。1984年，第一次有人提出了不同意見。當時以研究DNA結構聞名的弗朗西斯·克里克（Francis Crick）提出，注意力探照燈是由大腦深處一個被稱為丘腦的部分控制的，它的某些部分負責從感覺區接收信息，然後傳遞給大腦皮層。
他認為感覺丘腦不僅是一箇中繼站，而且還是一個看門人——不僅是一座橋，還是一個篩子——它會
堵住一些數據流，以此在某種程度上集中注意力。但幾十年過去了，科學家尋找確切機制的嘗試並沒有得到多少回報——尤其是要建立方法在實驗室動物身上研究注意力，特別困難。
注意力探照燈是由大腦深處一個被稱為丘腦的部分控制的，它的某些部分負責從感覺區接收信息，然後傳遞給大腦皮層 | Pixabay
不過，這並沒有阻止麻省理工學院麥戈文大腦研究所的神經科學家邁克爾·哈拉薩（Michael Halassa）。他想確定感官輸入的信息在到達大腦皮層之前是如何被過濾的，由此來確定克里克的研究所提出過的那個神經迴路。
一層薄薄的抑制性神經元吸引了他的注意，這層神經元被稱為丘腦網狀核（TRN），它像殼一樣包裹著丘腦的其餘部分。當哈拉薩還是博士後的時候，他已經在這一大腦區域發現了一個粗略的閥門：TRN似乎會在動物清醒並關注周圍環境時讓感覺輸入信息通過，但會在動物睡著時抑制它們。
在2015年，哈拉薩和同事們發現了另一個更精細的閥門，它能進一步顯示TRN屬於那個克里克長期尋找的迴路——這一次的研究中，他們測試了當動物的注意力分散在不同感官上時，動物會如何選擇注意的對象。
在這項研究中，研究人員們訓練小鼠，讓它們跟隨閃爍的燈光和大範圍音頻的指示奔跑。然後，同時用燈光和聲音向動物們發出相互衝突的命令，但也同時提示它們應該忽略哪些信號。小鼠的反應表明了它們會如何有效集中注意力。在整個任務過程中，研究人員使用成熟的技術來切斷大腦不同區域的活動，看看是什麼干擾了動物的表現。
研究人員們訓練小鼠，讓它們跟隨閃爍的燈光和大範圍音頻的指示奔跑 | Pixabay
與料想的一致，向大腦其他部分發出高階指令的前額葉皮層十分重要。但研究小組還觀察到，如果某項試驗需要小鼠注意視覺，那麼視覺TRN中被激活的神經元就會干擾它們的表現。當這些神經元被壓制時，老鼠更不容易在聲音上集中注意力。
實際上，這套神經網絡會將旋鈕轉到抑制過程，而不是激活過程。 TRN會抑制那些被前額葉皮層視為干擾的信息。如果小鼠需要優先接收聽覺信息，前額皮質會告訴視覺抑制區增強其活動，以抑制視覺丘腦——剝離無關的視覺數據。
注意力探照燈的比喻與之相反：大腦並沒有照亮相關的刺激物；它降低了所有其他東西的亮度。
儘管研究取得了成功，研究人員還是發現了一個問題。他們證實了克里克的直覺：前額葉皮層控制著丘腦中那個感覺信息輸入的過濾器。但前額皮質與TRN的感官部分沒有任何直接聯繫。迴路的某個部分缺失了。
而現在，哈拉薩和同事們終於補完了剩下的部分。
研究小組採取的方式與他們在2015年所做的研究類似，他們探索大腦不同區域之間的功能影響，以及它們之間的神經元連接。
大腦並沒有照亮相關的刺激物；它降低了所有其他東西的亮度 | Pixabay
結果發現，整個迴路從前額皮質一直連接到更深層的基底核（通常與運動控制和許多其他功能相關），然後再到TRN和丘腦，最後回到高層的大腦皮層區域。例如，當視覺信息從眼睛傳遞到視丘時，如果它與給定的任務無關，那它幾乎可以被立即截獲。基底核可以介入並激活視覺TRN，屏蔽外部刺激，與前額皮質的指令保持一致。
“我認為之前並沒有人描述過這個有趣的反饋路徑，” 神經科學家理查德·克勞茲利斯（Richard Krauzlis）說。他來自馬里蘭國家衛生研究院的國家眼科研究所，並且沒有參與這項研究。
此外，研究人員發現，該機制不僅會為了提高對某種感覺的認識而過濾掉另一種感覺，它還會過濾某種感覺本身中的信息。當研究人員提示老鼠注意某些聲音時，TRN幫忙抑制了聽覺信號中不相關的背景噪音。羅徹斯特大學的神經學家杜傑·塔丁（Duje Tadin）說道：“僅僅為了某個感覺通道而抑制整個丘腦區域是一種相當生硬的抑制形式，”而這種感覺處理的效果“要更為精確。”
當研究人員提示老鼠注意某些聲音時，TRN幫忙抑制了聽覺信號中不相關的背景噪音 | Pixabay
“我們經常忽略自己是如何處理那些不那麼重要的東西的，” 他補充道，“而通常來說，我認為那是一種更有效的處理信息的方式。”如果身處一個嘈雜的房間，你可以試著提高嗓門讓別人聽到你，但其實也可以試試消除噪音的來源。
哈拉薩的發現表明，大腦會比預期中更早地將無關的感知拋到一邊。“有趣的是，”普林斯頓大學的認知神經學家伊安·菲貝爾科恩（Ian Fiebelkorn）說，“在信息到達視覺皮層之前，過濾就早已開始了。”
閃爍的“探照燈”
然而，大腦這種拋棄感官信息的策略有一個明顯的弱點——被拋棄的感知可能出乎意料地重要。菲貝爾科恩的研究表明，大腦有辦法規避這些風險。
菲貝爾科恩說，當人們想象注意力探照燈時，他們想到的是一束穩定、持續的光線，照亮了動物應該把認知資源引向哪裡。但“我的研究表明事情不是這樣的，”他說，“正相反，探照燈像是在閃爍。”
根據他的發現，注意力探照燈的聚焦大約每秒減弱四次，這估計是為了防止動物過度專注於環境中的某個方位或某種刺激。這種對重要事物的短暫抑制會間接促進其他次要的刺激，讓大腦有機會在必要時將注意力轉移到其他事物上。“大腦似乎被設定成會週期性地被分散注意力，”他說。
注意力探照燈的聚焦大約每秒減弱四次，這估計是為了防止動物過度專注於環境中的某個方位或某種刺激 | Pixabay
和哈拉薩的團隊一樣，菲貝爾科恩和他的同事也期望能在大腦皮質下區域找到這一連接的答案。目前，他們正在研究丘腦另一部分的作用，但他們也計劃在將來研究基底核。
這些研究標誌著一個重要的轉變：科學家們曾認為注意過程是獨屬於大腦皮層的領域。但是根據克勞茲里斯的說法，在過去的五年裡，“有一點變得更明顯了，大腦皮層下有事在發生。”
“大多數人希望大腦皮層為我們承擔所有的重擔，但我認為這是不現實的，” 芝加哥大學的神經生物學家約翰·曼塞爾（John Maunsell）說。
事實上，哈拉薩發現的基底核在注意力中所起的作用特別迷人。一部分原因是它是大腦中一個非常古老的區域，而且人們通常不認為它屬於選擇性注意的一部分。“魚就有這個，”克勞茲利斯說，“這能一直追溯到最早的脊椎動物，比如七鰓鰻，它沒有顎，”——而且也沒有新皮質——“它們大體上只有簡單的基底核和一部分類似的神經迴路。這種魚的迴路可能會提供注意力進化的線索。
注意力和基底核之間的聯繫可能會揭示像注意力缺陷多動障礙和自閉症等病症的病因 | Pixabay
注意力和基底核之間的聯繫可能會揭示像注意力缺陷多動障礙和自閉症等病症的病因，這些病症通常表現為對某些輸入信號過於敏感，哈拉薩對此特別感興趣。
但或許，牽涉到基底核之所以有趣，在於這一結構通常與運動控制有關，儘管研究也開始逐漸表明它與基於獎勵的學習、決策和基於動機的行為有關。
哈拉薩實驗室完成了他們的工作，基底核的作用也延伸到了感覺控制。這突出了一個事實，“注意力其實就是按照正確的順序從這個排列到那個，同時確保你不會被不應該分散注意力的事情分散了注意力，”曼塞爾說，“運動結構與此相關的觀點……某種程度而言也是合理的——它們應該主導決策流程，決定你接下來要做什麼、接下來要把感官資源集中在什麼上。”
這與某個新興觀點一致，這一觀點認為，注意力過程以及整體而言的感知過程都是基於所謂的主動推理。大腦不會被動從環境中取樣，然後對觀察到的外部刺激做出反應。相反的情況也會發生，像眨眼這樣微小的身體動作也會引導感知。感覺系統和運動系統“不是獨立運作的，而是共同進化的”，菲貝爾科恩說。所以運動區域不僅會幫助進行輸出（動物的行為）;還會幫助進行輸入。哈拉薩的發現進一步佐證了它在發揮更主動的作用。
感覺系統和運動系統“不是獨立運作的，而是共同進化的” | Pixabay
“感知服務於行動，因為我們必須先呈現出這個世界，才能在裡面活動，”阿姆斯特丹自由大學的認知科學家海琳·斯拉格特（Heleen Slagter）說，“很大程度上，我們是通過行動來學習如何感知周圍世界的。”與大腦皮層的高度聯繫表明，即使不考慮注意力，“這些皮層下的結構在高階認知中發揮的作用也比通常認為的大得多。”
而這反過來又為我們提供了看待意識的線索，這是神經科學中最難以捉摸的課題。正如哈拉薩的研究和其他研究所證明的那樣，“當我們觀察注意力的神經關聯時，實際上，我們在一定程度上是在觀察感知的神經關聯，”曼塞爾說，“就試圖理解大腦工作的層面而言，這屬於全局的一部分。”
斯拉格特目前正在研究基底核在意識中可能發揮的作用，“我們對世界的體驗不僅來自於對身體的使用，也在於我們的身體本身。大腦呈現這個世界是為了在其中進行有意義的活動，”她說，“因此，我認為意識體驗一定是與活動緊密相連的”，就像注意力一樣。“意識應該是活動導向的。”
作者：JORDANA CEPELEWICZ, QUANTA
翻譯：桃花
校對：窗敲雨
編譯來源：https://www.theatlantic.com/science/archive/2019/09/how-brain-helps-you-pay-attention/598846/
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