人类的复杂认知如何产生？大脑演化和认知的协同核研究

人类的复杂认知如何产生？大脑演化和认知的协同核研究

大脑如何将多种来源的信息编排成统一的意识体验？神经信息处理的组织如何使人类的认知变得复杂？本周五的「因果涌现」读书会将由北京师范大学在读博士王志鹏介绍 Luppi 等人关于大脑协同核的研究。他们利用信息分解方法，将大脑区域之间的功能性相互作用分解为协同和冗余部分，揭示它们在信息处理中的独特作用。研究发现，冗余相互作用主要与结构耦合的模块化感觉运动处理相关，而协同相互作用支持整合过程和高阶脑网络中的复杂认知。人类大脑比非人灵长类更多地利用协同信息。此外，作者也发现相比有意识状态的被试者，无意识被试者的整合信息发生显著降低的区域都属于协同交互发生更大作用的脑区，同时也定位了该区域所属的功能区。

内容简介

神经信息处理的组织如何使人类具有复杂的认知能力？在本次分享中，我们讲解“人类大脑进化和认知的协同核”这篇工作，该工作将大脑区域之间的功能交互分解为协同和冗余的组件，揭示了它们不同的信息处理角色。

将功能和结构神经成像与元分析结果相结合，证明冗余相互作用主要与结构耦合，模块化感觉运动处理相关。相反，协同作用支持跨高阶大脑网络的综合过程和复杂认知。同时与非人类灵长类动物相比，作者发现人类大脑在更大程度上利用协同信息，高协同关联皮层表现出最高程度的进化皮质扩张。通过正电子发射断层扫描的突触密度图和趋同的分子和代谢证据分析得到，受体多样性和人类加速基因支持突触功能的协同相互作用。

这种信息解析方法提供了从耦合中分离信息集成的分析工具，支持对功能连接进行更丰富、更准确的解释，并阐明了人类神经认知架构如何在稳健性和集成之间进行权衡。

此外，作者也发现相比有意识状态的被试者，无意识被试者的整合信息发生显著降低的区域都属于协同交互发生更大作用的脑区，同时也定位了该区域所属的功能区。

内容大纲

• 背景知识与问题
• 冗余信息、协同信息、整合信息
• 冗余与协同相互作用
• 独特的神经解剖剖面的协同与冗余作用
• 协同和冗余的独特图论概要
• 独特的结构支持协同和冗余
• 高协同脑区的进化增强
• 大脑中协同作用的聚合突触基础
• 代谢和分子基础的协同作用
• 与产生意识相关的功能区域
• 总结与讨论

核心概念

• 冗余信息 redundant information
• 协同信息 synergistic information
• 整合信息 integrated information
• 功能连接 functional connectivity
• 结构连接 structural connection

参考文献

• Luppi, Andrea I., et al. A synergistic core for human brain evolution and cognition. Nature Neuroscience 25.6 (2022): 771-782. https://www.nature.com/articles/s41593-022-01070-0
• Luppi, Andrea I., et al. A synergistic workspace for human consciousness revealed by integrated information decomposition. BioRxiv (2020): 2020-11. https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.11.25.398081v5.abstract

这项研究在意识科学中的全局神经工作空间和整合信息论之间进行了概念和实证调和，解释了静息状态网络在人类信息处理架构中的作用，并有助于理解人脑如何通过信息的协同整合以支持意识。