摘要：人类意识的神经机制长期以皮层中心论为主导，认为大脑皮层是意识的载体。本研究通过 “眼跳反应匹配” 行为范式结合立体定向脑电图（sEEG）技术，对丘脑核团与前额叶皮层的毫秒级神经活动进行同步记录，首次在人类中揭示高阶丘脑核团（板内核、内侧核）通过 “丘脑 - 前
人类意识的神经机制长期以皮层中心论为主导，认为大脑皮层是意识的载体。本研究通过 “眼跳反应匹配” 行为范式结合立体定向脑电图（sEEG）技术，对丘脑核团与前额叶皮层的毫秒级神经活动进行同步记录，首次在人类中揭示高阶丘脑核团（板内核、内侧核）通过 “丘脑 - 前额叶环路” 调控意识感知的关键机制。研究发现，意识感知前 100 毫秒，高阶丘脑核团即出现 θ 波振荡增强及相位锁定，其神经活动早于经典感觉中继核团（腹侧核）和前额叶皮层，且通过 θ 波相位驱动前额叶 γ 波活动的 “相位 - 幅值耦合” 模式，形成对皮层的主动门控。解码分析显示，该环路的神经活动模式能特异性区分有意识与无意识状态（准确率 82%），而非编码感觉输入或运动输出，证实高阶丘脑核团是意识内容的直接调控枢纽而非被动中继站。此发现挑战了 “全局工作空间理论” 的皮层中心假设，为 “整合信息理论” 提供了环路层面证据，重新定义了意识门控机制为丘脑 θ 波对前额叶 γ 活动的动态调制。研究成果不仅推动意识研究从皮层中心论向皮层 - 皮层下交互论范式转变，更为意识障碍（如植物人）的精准诊断（基于 θ-γ 耦合的生物标志物）和靶向丘脑 - 前额叶环路的神经调控治疗（如深部脑刺激）奠定了理论基础。未来研究需进一步验证跨物种差异、因果关系及多模态整合机制。
探索人类意识的神经基础是现代科学最具挑战性的命题之一。意识包含两个核心维度：一是意识状态（如清醒、睡眠、昏迷），二是意识内容（即具体的感知体验）。长期以来，主流理论聚焦大脑皮层作为意识的载体，认为皮层神经元的同步活动是意识产生的基础。然而，近年来解剖学和神经影像学研究逐渐揭示，丘脑这一位于大脑深部的核团集合可能扮演着更为关键的角色 —— 尤其是其高阶核团（如板内核、内侧核），不仅参与感觉信息的传递，更可能直接调控意识感知的动态过程。
传统观点将丘脑视为 “感觉中继站”，认为其功能仅是将视觉、听觉等外周信号传递至皮层，进而由皮层加工形成意识。这一理论难以解释为何丘脑损伤（如昏迷患者的丘脑病变）会导致意识状态的彻底改变，却不影响单个感觉通道的信号输入。20 世纪末，“丘脑 - 皮层环路” 理论的提出开始挑战这一认知：该理论认为，丘脑与皮层之间存在双向交互网络，而非单向传递，尤其是高阶丘脑核团通过广泛的皮层投射，直接参与意识内容的构建。然而，由于技术限制，人类丘脑核团在意识感知瞬间（毫秒级时间尺度）的神经活动模式，及其与皮层的动态耦合机制，长期处于未知状态。
为破解这一难题，北京师范大学张鸣沙团队联合解放军总医院赵虎林团队、北京师范大学李小俚团队，开发了一种新颖的视觉意识任务，并结合立体定向脑电图（sEEG）技术，实现了对人类丘脑核团与前额叶皮层的同步高分辨率记录。
研究设计了一个 “眼跳反应匹配” 任务：受试者注视中央光点，两侧随机出现低对比度视觉刺激（Gabor 光栅），当刺激对比度超过阈值时，受试者需向刺激方向眼跳。通过调整刺激对比度，使有意识感知（能报告刺激存在）和无意识感知（无法报告但眼跳反应正确）的眼跳行为完全匹配，从而分离出纯粹与意识相关的神经活动，避免了传统任务中 “报告行为” 对意识神经信号的污染。
研究团队对接受癫痫手术评估的患者植入深部电极，同步记录丘脑三大核团（板内核、内侧核、腹侧核）及前额叶皮层（PFC）的局部场电位（LFP）。其中，板内核（如中央中核、束旁核）和内侧核（如背内侧核）属于高阶丘脑核团，主要参与认知调控；腹侧核团（如腹后外侧核）为经典感觉中继核团。前额叶皮层则聚焦外侧前额叶（LPFC），因其在高级认知和意识维持中起核心作用。
通过分析 5000 余组有效数据，研究揭示了丘脑 - 前额叶环路在意识感知中的三大核心机制：
事件相关电位（ERP）分析显示，在意识感知出现前 100 毫秒，板内核和内侧核即出现显著的正波偏转（P300 样成分），早于腹侧核团（200 毫秒后激活）和前额叶皮层（150 毫秒后激活）。频谱分析（ERSP）进一步显示，意识状态下，这两个核团的 θ 波（2-8Hz）功率显著增强，且 θ 波振荡的相位锁定程度更高，提示其在意识启动阶段的神经同步化作用。
跨频耦合分析发现，意识感知时，板内核 / 内侧核的 θ 波相位与前额叶皮层的 γ 波（30-100Hz）幅值呈显著正相关，形成 “相位 - 幅值耦合” 模式。这种耦合由丘脑核团主导：当丘脑 θ 波处于波峰相位时，前额叶 γ 活动增强，反之则减弱。进一步的格兰杰因果分析表明，丘脑到前额叶的信息传递强度是反向的 3 倍，证实高阶丘脑核团对前额叶皮层的 “门控” 作用。
解码分析显示，基于板内核、内侧核及外侧前额叶的神经活动模式，可准确区分有意识与无意识状态（准确率 82%），显著高于解码其他任务相关事件（如刺激对比度、眼跳方向，准确率均
该研究首次在人类中证实，高阶丘脑核团通过 “丘脑 - 前额叶环路” 直接调控意识感知，而非仅作为感觉中继站。这一发现对三大意识理论产生颠覆性影响：
挑战 “全局工作空间理论”（GWT）GWT 认为，意识源于皮层神经元的全局同步激活，丘脑仅提供皮层激活的能量支持。但本研究显示，丘脑核团的神经活动早于皮层，且其活动模式可独立预测意识状态，表明丘脑并非皮层的 “被动支持者”，而是主动的 “调控者”。支持 “整合信息理论”（IIT）的修正版
IIT 强调意识源于脑网络的信息整合能力，丘脑作为皮层连接的枢纽，其整合作用可能比皮层更关键。本研究中丘脑 - 前额叶的强耦合及信息特异性编码，为 IIT 提供了神经环路层面的证据。重新定义 “意识门控” 机制
传统观点认为，意识的 “开启” 依赖皮层的广泛激活，而本研究提出，高阶丘脑核团通过 θ 波振荡同步化前额叶 γ 活动，形成 “神经门控”：当丘脑 θ 波进入特定相位时，前额叶皮层被 “解锁”，允许感觉信息进入意识层面；反之则处于 “关闭” 状态，导致无意识感知。
该成果不仅深化了对意识本质的理解，更对临床意识障碍的诊断与治疗具有重要启示：
精准评估残存意识约 40% 的 “植物人”（无反应觉醒综合征）存在隐性意识，但现有手段（如 PET、fMRI）难以检测。丘脑 - 前额叶环路的电生理信号（如 θ-γ 耦合强度）可作为新的生物标志物，为临床精准诊断提供支持。开发神经调控靶点
针对丘脑板内核、内侧核的深部脑刺激（DBS）已在昏迷患者中尝试，但此前缺乏明确理论指导。本研究证实这些核团的因果作用，为设计靶向丘脑 - 前额叶环路的神经调控方案（如增强 θ 波同步）提供了靶点依据。理解神经精神疾病的意识异常
精神分裂症、抑郁症等疾病常伴随意识清晰度下降，而丘脑 - 前额叶连接异常可能是潜在机制。该研究为探索这些疾病的神经环路机制提供了新方向。
这项发表于《Science》的研究，首次在人类中揭示了高阶丘脑核团通过 “丘脑 - 前额叶环路” 调控意识感知的神经机制，标志着意识研究从 “皮层中心论” 向 “皮层 - 皮层下交互论” 的范式转变。正如审稿人所评价，这是 “里程碑式的发现”，不仅为理解人类意识的本质提供了新框架，更开启了通过调控深部脑核团干预意识障碍的临床新路径。随着脑科学技术的进步，丘脑这一 “意识之门” 的神秘面纱正被逐步揭开，人类对自身心智本质的认知亦将迈向新的高度。
来源：医学顾事
