魯賓花瓶（Rubin's vase）是一張經典的視錯覺圖像，盯著它看時，畫面一會兒是白色花瓶，一會兒是兩張相對的黑色側臉。它牽涉一個關鍵的神經科學問題：大腦究竟如何讓我們交替感知到兩種畫面？在圖像不變的前提下，這種挑選發生在那裡、如何發生？
上世紀 90 年代，諾貝爾獎得主、DNA 雙螺旋結構發現者之一弗朗西斯·克里克（Francis Crick）推動神經科學家尋找與意識體驗直接對應的神經活動。
此後的研究者大多借助雙眼競爭（binocular rivalry）開展實驗：給兩隻眼睛分別展示不同的圖像，人一次只能意識到其中一幅，以此分離出意識訊號。
圍繞這個訊號所處的位置，學界形成了兩大陣營，一方認為意識依賴以前額葉為核心的廣播網路，另一方認為大腦後部的感覺皮層已經足夠。
為了分出高下，兩派學者共同設計了一項大規模實驗，事先公開寫明各自理論的預測和失敗條件。2025 年，這場對決的結論發表於《自然》（Nature）：後部皮層並未出現預期的持續同步活動，前額葉也只能解碼部分意識內容，雙方的核心預測都缺乏充分支援。
當地時間 10 月 16 日，加州大學伯克利分校（UC Berkeley）神經科學家曹穎（Doris Tsao）團隊在預印本平台 bioRxiv 發佈論文，從時間維度給出了新的回答。
他們在獼猴實驗中發現，即便畫面和主觀感知都保持不變，大腦中同一群神經元也會以每秒約 15 次的速度，在“有意識”和“無意識”之間來回切換。研究者苦尋多年的純粹意識訊號，就藏在其中一半的時間裡。
曹穎隨後在社交平台上介紹這項工作，稱其顛覆了數十年來對意識生物學基礎的認識。此前，意識研究一直試圖在大腦的地圖上尋找答案，這項工作提示我們，答案也可能寫在時間軸上。
從面孔走向意識
曹穎過往開展的一系列工作是實現此次突破的前提。她本科就讀於加州理工學院（Caltech）生物與數學專業，2002 年獲哈佛大學（Harvard University）神經科學博士學位。
2024 年，她因發現獼猴腦中的面孔斑塊系統、破解面孔神經編碼（通過神經元放電重建面孔圖像），與德國神經科學家溫裡希·弗萊瓦爾德（Winrich Freiwald）等人同獲卡弗裡神經科學獎（Kavli Prize in Neuroscience）。
近年來，曹穎逐漸轉入對意識問題的研究。2020 年，她與當時在 Caltech 攻讀博士的亞尼斯·黑塞（Janis Hesse）發表了一項無報告範式的雙眼競爭研究，通過猴子的眼動和瞳孔變化推斷它看到的圖像，省去訓練動物按鍵報告的環節，排除了這一動作對神經訊號的干擾。
研究還發現，下顳葉皮層（大腦中負責高級視覺識別的區域）的面孔細胞確實會隨意識感知變化，但在單次試驗中，動物意識到的圖像和抑制的圖像都能被解碼。
這留下了一個困擾兩人近十年的悖論：領域經典敘事認為，大腦前部存在純粹的意識表徵，而他們實際記錄到的訊號與意識的關聯在每個腦區都顯得很弱。
曹穎形容兩人“被自己的預期困住了”。事實上，自上世紀 90 年代，研究者開始在猴子身上記錄雙眼競爭中的神經元起，人們就反覆發現，神經元在競爭條件下對意識感知的區分，明顯弱於兩幅圖像單獨呈現時的區分。
目前，曹穎出任非營利研究機構阿斯特拉研究所（Astera Institute）神經科學項目的首席科學家，致力於理解大腦產生意識體驗、認知和智能行為的具體機制。
捕捉“有意識”和“無意識”的切換
新研究採用了經典的雙眼閃光抑制方法：先只給一隻眼睛看一幅圖，再突然向另一隻眼呈現第二幅圖。新出現的圖像幾乎總會“搶佔”意識，先前那幅圖雖然仍在眼前，卻從感知中“消失”了。
隨後，團隊讓兩隻恆河猴觀看同類刺激，同時把神經像素（Neuropixels）探針插入其兩個下顳葉面孔斑塊和兩個前額葉皮層（負責決策、計畫等高級認知功能）區域。這種探針一次能同時捕捉數百個神經元的放電，讓研究者得以在單次試驗內部，逐毫秒追蹤整個神經元群體即時表徵的內容。
按傳統方法，如果把一段時間內的神經活動平均起來，下顳葉神經元對意識感知的區分強度依然只有圖像單獨呈現時的約四分之一。
但這次，團隊把每次試驗切成 10 毫秒一段，逐段判斷此刻的群體活動更接近“看到面孔 A”還是“看到面孔 B”時的模式。
結果出乎團隊預料：畫面和感知都穩定時，神經元群體每隔約 60 毫秒，就會在表徵看見的臉和沒看見的臉之間來回切換。研究把這兩類時段分別命名為“意識微時段”和“抑制微時段”。
按狀態拆開計算，意識微時段裡神經元對感知的區分強度幾乎恢復到圖像單獨呈現時的水平，抑制微時段則正相反。這揭示，過去觀察到的“弱訊號”，是兩段方向相對的強訊號相互抵消了。
更關鍵的是，研究並未找到“專管意識”和“專管無意識”的兩群細胞，同一面孔細胞會先後按兩張臉的特徵放電。用意識微時段的神經活動可以重建出猴子看見的那張臉；用抑制微時段的活動則能重建出它沒看見的那張。消除統計偽影后，結論依然成立。
時間是關鍵
研究不僅揭開了持續三十多年的謎題，更為意識研究提供了新的維度：時間。
開頭提到，兩派按腦區劃分意識訊號的出處，但曹穎團隊在前額葉和下顳葉都做了記錄，發現那一處都沒有穩定存在的意識訊號，神經元始終在兩張臉之間輪流切換。
這直接動搖了認為“意識訊號會穩定待在某個腦區”的默認前提。過去實驗大多把長時間活動平均處理，人腦成像的時間精度較粗，可能測不出每60毫秒一次的快速訊號切換。
既然同一群神經元輪流表徵兩張臉，大腦又如何區分該感知到那一張？按常理推測，最終感知到的那張臉應該讓神經元放電更強，資料卻顯示，無感知的時間裡，整體放電反而略強一些。
兩種狀態的區別實際上在於神經元對面孔變化的敏感度：在意識微時段裡，神經元的放電反應更明顯；而進入抑制微時段時，同一批神經元的反應則平緩一些。
至於是什麼在掌控這種切換、決定那段時間的訊號更清晰？作者推測，它可能來自視覺皮層內部神經元之間的相互作用，也可能來自頂葉、丘腦等其他腦區的調控。
研究中，還有一組資料展現了意識機制的複雜性：團隊同時記錄的兩個下顳葉面孔斑塊，它們的切換節奏像是各自打拍子，關聯很微弱。可人在任何時刻只會看到一幅圖，如果各個腦區各切各的，這種統一的感知如何形成，目前依舊是個謎。
無意識的畫面也會改變行為？
曹穎在推文中強調，整項工作中最讓她興奮的是，被抑制的那一半時間裡，大腦仍保存著完整清晰的面孔資訊。
這與心理學中的一些經典發現形成呼應：一張恐懼面孔在螢幕上一閃而過，受試者毫無察覺，大腦中處理情緒的杏仁核卻已經有了反應。人沒有意識到自己看過的東西，依然會影響判斷、注意和情緒。如果大腦始終保存著這些“未見之物”的完整內容，它們能左右行為也就不奇怪了。
大腦為何要花力氣保留一個並未真正“看見”的畫面？作者推測，沒看見的那段時間，大腦可能在後台檢驗對眼前畫面的其他解讀，同時不干擾行為；看見的那段時間，則承載著大腦當前採納的解讀，交給負責言語、反思和行動的腦區使用。
讓同一群神經元分時段處理不同資訊的機制在大腦中並不少見。曹穎實驗室此前發表的研究也發現，下顳葉的同一群神經元會在不同時刻，分別處理眼前看到的面孔和對熟悉面孔的記憶。
意識與無意識的輪替，可能只是大腦這套通用策略的又一種用法。
這項工作依然在未經同行評議的預印本階段，資料來自兩隻獼猴，結論的可推廣性還需要更多實驗檢驗。團隊表示會在論文正式發表時公開原始資料和分析程式碼，供其他實驗室覆核。
要進一步證明意識與這種快速切換之間存在因果關係，必須進行主動干預，曹穎在阿斯特拉研究所的研究計畫就包括對神經回路開展大規模操控等。
在推文中，曹穎感嘆，找到一個豐富表徵著“你沒有意識到的東西”的訊號，讓揭開“神經活動如何進入意識”終於有了著手之處。(DeepTech深科技)