語(yǔ)音播報(bào) 來(lái)自中科院之聲 00:00 10:33
1985年，軀體失認(rèn)癥患者Sacks這樣描述自己的癥狀：“一個(gè)人應(yīng)該能夠分辨自己的身體，分辨哪些為身體所屬而哪些不是——但這條腿，這樣?xùn)|西… 它不對(duì)勁，它不是真實(shí)的——我感覺不到它的存在，我覺得它不屬于我”。
軀體失認(rèn)癥是一種離奇的神經(jīng)系統(tǒng)綜合癥，它的存在從側(cè)面證明了人類感知自我身體的能力直接受到神經(jīng)系統(tǒng)的制約，換句話說(shuō)，正是神經(jīng)系統(tǒng)本身——而絕非身體本身——決定了我們對(duì)于自己身體的感知力。
與軀體失認(rèn)癥截然相反的病癥則是幻肢覺——在傷口痊愈后的很長(zhǎng)一段時(shí)間里，80%以上的截肢者仍然可以感覺到自己失去的肢體。幻肢覺無(wú)時(shí)無(wú)刻不伴隨著大部分意外失去肢體的人們，當(dāng)殘肢被觸摸的時(shí)候，他們能夠感受到失去的手臂或腿部正在受到壓力；不論是在走路、坐下或是伸展四肢時(shí)都會(huì)覺得肢體仍然在正常運(yùn)動(dòng)。
究竟是什么使得肢體健在的人在意識(shí)上卻對(duì)自己的身體“視若無(wú)睹”？又是什么使得因故失去肢體的人對(duì)自己“擁有肢體”這一執(zhí)念如此之深？換句話說(shuō)，我們的大腦依據(jù)什么來(lái)判定自我與非我的邊界？“自我意識(shí)”對(duì)于神經(jīng)系統(tǒng)而言到底意味著什么？——“我是誰(shuí)”這一問(wèn)題作為哲學(xué)三大命題之首早已于2005年在 Science 雜志周年慶典時(shí)被評(píng)為最重大的科學(xué)問(wèn)題之一，自然地，這個(gè)“棘手”的問(wèn)題也被神經(jīng)科學(xué)家們不斷地探索和提及。
“自我意識(shí)”的涵蓋面復(fù)雜而廣泛，但值得慶幸的是，總有那么一小撮研究者們敢于接住這燙手的山芋——比方說(shuō)，以“身體擁有感”這一感知作為切入點(diǎn)，通過(guò)神經(jīng)科學(xué)的手段來(lái)探索意識(shí)的本質(zhì)和自我的邊界。
橡皮手效應(yīng)（Rubber Hand Illusion，RHI）指的是在特定的多感官條件下，我們將人造手或假手（Rubber Hand）誤認(rèn)為是自己的手的幻覺體驗(yàn)過(guò)程。舉個(gè)例子，當(dāng)自己真實(shí)的手和人造假手以相近的姿態(tài)放置，并同步地施加刺激（被動(dòng)式），或以相同姿態(tài)同時(shí)運(yùn)動(dòng)（主動(dòng)式）時(shí)，那么在真實(shí)手被掩蔽的情況下，我們就會(huì)自然而然地產(chǎn)生一種“模型假手好像是我的手”的奇妙錯(cuò)覺——對(duì)模型假手產(chǎn)生了擁有感。
認(rèn)知心理學(xué)家們?cè)?998年首次發(fā)現(xiàn)了這一神奇而穩(wěn)定的現(xiàn)象，然而長(zhǎng)久以來(lái)科學(xué)界卻一直缺少一個(gè)身體擁有感和身體所有權(quán)錯(cuò)覺在神經(jīng)系統(tǒng)層面上的合理解釋。
那么，這種錯(cuò)覺在我們的腦中究竟是如何產(chǎn)生的呢？
2019年9月4日，《美國(guó)科學(xué)院院刊》在線發(fā)表了題為《獼猴自我身體編碼的統(tǒng)計(jì)模型和神經(jīng)元表征》的研究論文，該工作由中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心的王立平研究組完成。研究人員利用自主設(shè)計(jì)搭建的虛擬現(xiàn)實(shí)呈現(xiàn)系統(tǒng)，在獼猴和人類被試上建立身體幻覺行為學(xué)范式，并對(duì)其身體擁有感進(jìn)行定量行為學(xué)測(cè)量和計(jì)算建模。更重要的是，研究人員通過(guò)電生理記錄的方式，發(fā)現(xiàn)了獼猴大腦前運(yùn)動(dòng)皮層的群體神經(jīng)元以貝葉斯因果推斷的方式對(duì)身體擁有感進(jìn)行編碼。
對(duì)于研究手臂感知的實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，其中一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是，如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)量被試對(duì)手臂的擁有感。雖然，對(duì)于人類被試，我們可以非常方便地要求他們口頭匯報(bào)，但顯然這種方式并不適用于動(dòng)物。幸而，橡皮手錯(cuò)覺的實(shí)驗(yàn)告訴我們，當(dāng)被試看到的假手和他的真手位置不一致時(shí)，被試對(duì)假手擁有感的強(qiáng)弱（錯(cuò)覺強(qiáng)弱）與他匯報(bào)的手臂位置往假手方向的偏移程度——本體感覺偏移——非常相關(guān)。利用這一點(diǎn)，研究人員巧妙地設(shè)計(jì)了一種目標(biāo)點(diǎn)指向任務(wù)，要求獼猴和人類被試在自己的真手被遮擋的情況下，盡量準(zhǔn)確的用自己的手指向目標(biāo)點(diǎn)（圖1中的紅點(diǎn)）。同時(shí)，研究人員利用計(jì)算機(jī)處理，在視頻上實(shí)時(shí)呈現(xiàn)被試的手臂畫面。并且，為了產(chǎn)生不同程度的錯(cuò)覺效果，視頻中的手臂畫面與被試的真手會(huì)存在不同程度的偏差。如圖1中所示，如果視頻中的手順時(shí)針偏轉(zhuǎn)30°，由于錯(cuò)覺的存在，被試感覺到的手臂位置會(huì)往視頻中假手的方向偏移，因此，他們指向的位置會(huì)偏向目標(biāo)點(diǎn)的左側(cè)。此時(shí)，目標(biāo)點(diǎn)就代表了被試主觀上感覺到的手臂位置，目標(biāo)點(diǎn)與真手之間的偏差（本體感覺偏移）程度則代表了被試多大程度上覺得視頻中的就像是自己的手。
圖1 人和獼猴實(shí)驗(yàn)設(shè)備和行為學(xué)任務(wù)示意圖
從本體感覺偏移的測(cè)量結(jié)果可以看到，人類被試和獼猴都展現(xiàn)出了類似的行為模式。當(dāng)視頻手和真手偏差較小時(shí)，被試更偏向于相信看到的視覺手就是自己的手，此時(shí)本體感覺偏移由視覺信息主導(dǎo)；而當(dāng)偏差逐漸增大時(shí)，被試越來(lái)越不相信看到的手是自己的手。人類被試的問(wèn)卷也表明，被試此時(shí)失去了對(duì)視覺手臂的擁有感，被試受視覺信息的影響減小，這時(shí)的本體感覺偏移也就不再增大，甚至反而減小了。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)首次證實(shí)了獼猴也能產(chǎn)生與人類被試類似的橡皮手錯(cuò)覺。
那么，究竟是怎樣的計(jì)算機(jī)制控制著這種身體錯(cuò)覺的產(chǎn)生呢？相信大家都聽說(shuō)過(guò)貝葉斯理論，如果我們的大腦接收到的各種信息之間存在沖突，那么大腦就需要根據(jù)各種信息的可靠性來(lái)推測(cè)真實(shí)的情況。將這個(gè)原理利用到身體感知中，便有了貝葉斯因果推斷模型（Bayesian Casual Inference Model）。目前神經(jīng)科學(xué)家們普遍認(rèn)為，我們的對(duì)身體的主觀體驗(yàn)并不是感覺信息的直接反映，而是大腦結(jié)合外部感覺信息和內(nèi)部已經(jīng)存在的經(jīng)驗(yàn)共同建構(gòu)出來(lái)的。在某些特定的條件下，比如精神分裂癥中，當(dāng)神經(jīng)系統(tǒng)的感知整合不再受控，我們的主觀體驗(yàn)也會(huì)隨之偏離正軌。
圖2 行為學(xué)結(jié)果和模型擬合結(jié)果。A. 行為學(xué)結(jié)果以及兩種模型（CI：貝葉斯因果推斷模型，F(xiàn)F：最優(yōu)整合模型）的擬合結(jié)果比較。B. 模型擬合的Pcom與人類被試的錯(cuò)覺打分非常類似。左側(cè)圖為兩名典型被試，紅色線為Pcom，藍(lán)色線為錯(cuò)覺打分；右側(cè)圖為被試間的相關(guān)性。
而我們的大腦則類似于一架貝葉斯推斷機(jī)，它能夠整合根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得到的先驗(yàn)預(yù)期和當(dāng)前感官接收到的信息來(lái)估計(jì)相關(guān)事件發(fā)生的概率（圖3上）。
事實(shí)上，研究人員發(fā)現(xiàn)人和獼猴的行為結(jié)果確實(shí)符合貝葉斯因果推斷模型的預(yù)測(cè)(圖2A)：當(dāng)視頻中的手和真手的空間位置越接近，大腦認(rèn)為兩種信息來(lái)自同一來(lái)源——都真實(shí)地反應(yīng)了自己真手——的可能性（Pcom）就越高。此時(shí)，主觀感覺到的手臂位置也就會(huì)更偏向視頻中手臂的位置。同時(shí)，人類被試對(duì)視覺手擁有感的打分也越高（圖2B）。統(tǒng)計(jì)結(jié)果也證實(shí)，視覺手擁有感打分（ownership）和模型擬合得到的Pcom間存在顯著的相關(guān)性(圖2B右)。
圖3 貝葉斯因果推斷模型
更為重要的是，研究人員還發(fā)現(xiàn)獼猴前運(yùn)動(dòng)皮層中群體神經(jīng)元的放電活動(dòng)與行為學(xué)水平上的手臂錯(cuò)覺程度密切相關(guān)。無(wú)論在何種程度的偏轉(zhuǎn)條件下，當(dāng)錯(cuò)覺較強(qiáng)時(shí)，群體神經(jīng)元的放電模式與偏轉(zhuǎn)0°時(shí)（具有最強(qiáng)的錯(cuò)覺）的反應(yīng)模式更相似（圖4左，顏色越紅越相似）；而當(dāng)錯(cuò)覺較弱時(shí)，其放電模式與偏轉(zhuǎn)0°時(shí)反應(yīng)模式的相似度也就越低（圖4左，顏色越藍(lán)越不相似）。
為了進(jìn)一步驗(yàn)證這一發(fā)現(xiàn)，研究人員又將視頻中的手臂畫面替換成了一塊尺寸相似的木塊。根據(jù)貝葉斯因果推斷模型的預(yù)測(cè)，當(dāng)我們看到的物體的外觀與真正的身體明顯不一致時(shí)，大腦內(nèi)已經(jīng)存在的經(jīng)驗(yàn) (Prior)會(huì)告訴我們看到的物體不太可能是身體的一部分。因此對(duì)視覺木塊的擁有感將顯著降低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果確實(shí)驗(yàn)證了這一預(yù)測(cè)，相比視覺手臂組，木塊組中人和獼猴的本體感覺偏移顯著降低。并且，木塊條件下模型預(yù)測(cè)的視頻上的手和真手來(lái)自“同一來(lái)源”的概率(Pcom)顯著低于手臂組。這些結(jié)果也進(jìn)一步證實(shí)了模型中的 Pcom與手臂擁有感的相關(guān)性。神經(jīng)元的活動(dòng)也顯示，獼猴前運(yùn)動(dòng)皮層中群體神經(jīng)元在木塊條件下的放電反應(yīng)與偏轉(zhuǎn)0°時(shí)反應(yīng)的相似度明顯降低(圖4右，整體顏色更藍(lán))。
圖4 前運(yùn)動(dòng)皮層群體神經(jīng)元反應(yīng)模式
綜合這些結(jié)果，研究人員認(rèn)為，我們大腦對(duì)自己身體的感知不僅依賴于外界感覺信息（視覺，本體感覺等）的輸入，還會(huì)結(jié)合大腦內(nèi)已經(jīng)存在的經(jīng)驗(yàn)信息，并以貝葉斯因果推斷模型的方式組合這些來(lái)自不同層面的信息。其中的核心步驟，對(duì)“同一來(lái)源”這一概率的編碼則主要與前運(yùn)動(dòng)皮層神經(jīng)元的活動(dòng)有關(guān)。
一直以來(lái)，由于缺乏可靠的方法改變動(dòng)物對(duì)身體的感知并測(cè)量這種改變，我們對(duì)于自我身體感知背后的神經(jīng)機(jī)制幾乎一無(wú)所知。這項(xiàng)研究不僅為自我身體感知的理論模型提供了重要的行為學(xué)和電生理證據(jù)，更重要的是為進(jìn)一步研究身體自我意識(shí)的神經(jīng)機(jī)制提供了可客觀測(cè)量的行為學(xué)任務(wù)和非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物模型。這為將來(lái)真正理解自我意識(shí)，人工智能和腦機(jī)接口的研發(fā)以及精神疾病的治療提供了重要的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
最后，讓我們?cè)倩氐阶畛醯膯?wèn)題：自我意識(shí)真的遙不可及嗎？那些看似抽象的哲學(xué)問(wèn)題真的不能被研究嗎？
也許從一開始，我們就問(wèn)錯(cuò)了問(wèn)題——可能更有意義的提問(wèn)方式是，面對(duì)這個(gè)極端復(fù)雜而又奇妙的問(wèn)題，我們可以做些什么來(lái)推動(dòng)它的進(jìn)展，我們能夠創(chuàng)造出怎樣的科學(xué)手段來(lái)改善長(zhǎng)久以來(lái)的茫然無(wú)知的現(xiàn)狀。我想最終的結(jié)果一定會(huì)是很多神經(jīng)科學(xué)家們所夢(mèng)寐以求的。
作者：方文、李俊汝、齊光耀、李晟豪
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