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我们如何才能完成这个似乎不可能完成的任务——找到一个不断变化的分级过程？唯一的答案是，无意识的基础不是位于大脑关键区域（如大脑皮层或丘脑）内部或之间的某种大脑开关，而是一种过程，神经解剖学的教材尚未对此过程给出明确定义，不能用全或无的电信号来描述它。
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在我最初开始学习神经科学时，试图解释脑过程的常见做法是勾画出不同的脑区（像整齐排放的盒子一样），用来来回回的箭头代表脑区之间的沟通交流，在每个箭头旁标明“+”或“-”，代表一种简单的激发或抑制网络。但是，我们已经了解到，大量的神经元之间的沟通都是“调节”式的，也就是说，细胞处于持续发展的状态。在这一背景 下，细胞群内或细胞群之间，任何最终出现的抑制或兴奋都取决于从这一刻到下一刻细胞的情况。这意味着，我们要找到另一种脑机制，这种脑机制可以在超越了单个神经元的水平上运作，正如我们已经看到的那样，单个神经元并不作为自主单元发挥作用。总之，无论这个新颖的脑过程是什么，它都类似于这样一种东西——一种时刻不断地变化着的东西。
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四、神经元集合
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加拿大心理学家唐纳德·赫布（Donald Hebb）是这一领域的先驱。早在1949年，他就提出了一种彻底革命性的理念，即神经元能够适应之前发生的事件，或者说，神经元会学习。他发现，相邻的神经元往往是同步的，这意味着它们会像一个紧密相连的团体一样，突然一起活跃起来。当它们处于这种状态时，便构成了一个统一的功能网络，能够在被触发后很长一段时间仍持续运作。20 赫布还认为，如果它们是像这样集体活跃的，那么这些神经元网络有可能诱发突触发生更长期的改变，反过来会延长和加强该网络内脑细胞之间的沟通交流，我们称之为“赫布突触”（Hebbian synapses）。为什么我们说这是一个突破性进展呢？
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因为这一远见卓识首次解释了大脑如何适应输入的信息，也就是如何适应环境。我们把这种现象称为可塑性（plasticity，来源于希腊语plastikos ，意为能够被改变）。21 不同物种受本能禁锢的程度不同，因而大脑的可塑性也有所差异，但现在我们普遍认为，可塑性是大脑的一个基本特征。对于比较简单的动物（例如金鱼），行为与基因的关系更密切，它们的大脑从开始就只有较少的神经元连接，因此相比那些个体经验确实能给大脑留下印记的物种，环境对它们的影响更小。在动物界，我们人类拥有最强的适应能力，这也是为什么我们能比地球上的其他物种占据更多的生态位（ecological niches）——从丛林到北极，我们可以在世界各地生活繁衍。可以说，我们大脑的可塑性也意味着，在所有物种中，我们拥有最大的潜力，通过个体经验能够成为真正独一无二的个体，这都要归功于具有适应性的“赫布突触”。
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几十年后，赫布的理论构想终于获得了实证支持。神经科学家表明，确实存在一个持久且相对缓慢的细胞适应机制，而且高度局限在个别突触上。22 它们极大地帮助我们解释了神经科学和心理学中的各种现象，特别是学习和记忆。然而，在过去几十年中，尽管有无数发表过的论文、论著成功地研究并运用了这一范式，但我们仍然有一个问题：我们可以像赫布那样，用一种“自下而上”的方法，从细胞、突触和神经递质的微观层面探索大脑；抑或用一种与之相反的“自上而下”的策略，集中探索终端的脑功能和宏观层面的脑区。但如何从一个层面过渡到另一个层面呢？
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这些微小的、局部的神经元网络，仍然需要用某种方式反过来影响脑区之间的相互作用，以此产生诸如记忆的认知过程，并解释我们如何成为不同的个体。换言之，在宏观层面（自上而下）和微观层面（自下而上）之间需要架起一座桥梁。如果相邻的神经元同时活跃，那么它们之间的连接将会增强。但是赫布想知道我们能否走得更远。从更大的范围来看，也许这一随之而来的局部活跃，最终将把更多神经元凝聚起来，引发一种整体的活动和功能。23
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多年来，我们一直无法在现实中发现或形象化这种假设的、更大规模的神经元集合体。传统电生理学一次只能记录几个神经元的活动，因此不能监测如此广泛的活动。而且它们也从来没有在典型的脑电图中出现过，因此我们推测，它们的活动可能不太持久。要知道，脑成像的时间分辨率，比神经元沟通发生的速率慢了一千多倍，就像第一章中提到的那些维多利亚时代旧照片一样，由于曝光速度太慢，所以只能拍静态的物体和建筑。而我们用常规的fMRI[5] ，只可能看到当前几秒之内的活动，这种活动可能有助于及时诊断大脑功能障碍。或者，为了放慢被试的行为以符合时间表的要求，你可以让被试完成一项持续重复的任务，而通过这种活动或许能够帮助我们看到这个过程中发生了什么。但是，与局部“固定”的微观层面的突触或宏观层面的脑区不同，如果我们假设的这些介于宏观和微观之间（中等层级）的集合体确实存在，那么它们出现的时间又太短暂了，无法通过传统的成像技术记录。
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那么，科学家如何才能知道赫布推断出的设想是否正确呢？解决这一问题所面临的挑战是要找到一种方法，把自上而下和自下而上的过程连接起来。但是，神经科学目前仅有的技术，便是自上而下的标准解剖和成像技术，以及自下而上的对单个细胞中几个电极的研究。之后，在20世纪90年代，包括以色列威茨曼研究所的阿米拉姆·格林瓦德（Amiram Grinvald）在内的一些天才科学家们发明了一种新的技术——电压敏感染料成像（voltage-sensitive dye imaging, VSDI）。24 有了这种技术，我们突然能够识别一些用传统的、无创的脑成像技术无法探测到的现象。25 顾名思义，VSDI能够让研究者读出穿过细胞膜的电压，因此能够用来监测持续的神经元活动。由于染料是实实在在嵌入到细胞膜中的，所以可以在小于1秒的瞬间内直接读出数据。运用这种技术，我们首次可以看到，介于细胞和突触的操作水平和解剖学可辨别的脑区之间，确实存在一个繁忙的中尺度水平的大脑处理过程——借此，神经元在非常小的时间尺度上形成大规模联合，犹如一个紧密联结的整体一样工作，与大脑中实时发生的事件相对应。
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图1：一个“集合体”的可视化图。在大鼠脑切片中，在刺激的初始脉冲持续十分之一微秒之后，运用电压敏感染料探测，毫秒序列成像，显示出广泛的激活。最活跃的区域在中心位置，向四周逐渐减弱，有点像往水潭里扔石块激起的层层涟漪。（Badin&Greenfield，未出版）（彩色扫描图请见彩插1。）
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上图来自我自己在牛津的研究团队的工作，当时我们用VSDI技术研究大鼠的脑切片。在短暂的电刺激后，我们把产生的脑活动用颜色编码，红色代表高度活跃，紫色则代表不那么活跃。与单个细胞相比，几毫米的尺度已经很大了；然而与解剖学层面定义的脑区相比，它又确实很小。因此，这是一种真正的“介观尺度”。要特别注意它具有极高的时间分辨率：在8毫秒内，集合体的活动开始达到峰值，在这个例子中，再过约20毫秒，一切都结束了。传统的脑扫描根本无法探测到这一现象。
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由于这些极度短暂的大规模神经元集合还是一种相对陌生的现象，对其严谨的定义尚未达成明确共识，因此它有许多不同的名称。在我们的研究团队里，它被称为“神经元集合”，我们给出的定义是：可变的、高度瞬态（亚秒级）的宏观尺度的脑细胞组（例如约1000万或者更多），解剖学层面的脑区或系统无法定义或限定它。26
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当我们在工作日早上的“清醒之旅”中行进时，意识状态如潮起潮落般不断变化着。而我认为，唯一能够令大脑适应这种变化的方式，发生在介于宏观脑区和微观单个神经元之间的层面：这是瞬间的、集体的脑细胞活动形成的一个中层组织，为了适应各种意识深度，它每时每刻都在不断扩大或缩小。因此，如果意识是不断变化的，那么它可能与大脑中我们将称之为“集合”的物理现象相关。
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尽管脑切片成像能够显示神经元集合的具体内容，但只有研究完整的活体动物大脑（术语称为“活体内”），我们才能真正了解大脑到底如何工作以及工作内容有哪些。在这类实验中，初始触发刺激可以更自然一点，比如说一束光，27 或只是触碰一下大鼠的胡须（见图2）。
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图2：触发刺激是偏转被麻醉的大鼠的胡须。3D图像显示了每隔5毫秒，在被麻醉大鼠无损的感觉皮层上产生的一个神经元集合。请注意，集合的直径比背景噪音高出约6-7毫秒。28 在这种情况下，我们再次看到，这个时间窗（40毫秒）对于传统脑成像来说太快了，运用常规的电生理技术完全无法记录详细的空间模式。（彩色扫描图请见彩插2）
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然而，在大脑切片和麻醉的大脑中，我们看到的神经元集合有点像把一块石头扔到水潭里之后产生的层层涟漪。一块石头比它激起的涟漪要小得多，与此类似，即使是对一个短暂的光刺激做出反应，由此产生的神经元集合的活动也将会暂时蔓延到更大的区域，29 其范围远大于皮层细胞千篇一律的固定回路排列。30
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但是，当你用光学成像观察麻醉动物的大脑时，还会看到一些通常在脑切片中看不到的东西。你会发现，即使没有任何明显的刺激，大脑也会保持活跃。整个大脑中活跃着如脉动一般大规模的振荡。我们知道用神经科学的术语来说，它们的出现是因为不同细胞具有不同的特性，因此神经元像一个个具有不同延迟程度的振荡器一样组合了起来。31 如果一组神经元聚集了正确的特性，这种振荡便可以无限持续下去，为一次性刺激或事件产生的任何其他现象提供一种背景。32
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显然，大脑不是个百分百机械式的组织结构，并不像电脑一样由各种线把不同功能区连接起来，具有特定节点和二进制开/关功能状态。虽然不可否认的是，在大脑局部层面上存在这种连接，但这远非大脑的全貌。换句话说，大脑不是一栋固化僵硬的建筑。相反，我们更应该把它看作绵延起伏的大海，时而平静，时而碧波荡漾，时而波涛汹涌，甚至惊涛骇浪。在所有这些神经元的振荡之上，叠加了一次性的刺激——大脑内部驱力或外部感官刺激，它们将造成一次偶发的神经元集合。33
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为了对意识及其相关现象给出恰当的描述，一个神经元集合就可以符合“购物清单”上提出的要求吗？如果可以，它也应该能被消除意识的媒介所修改，例如麻醉剂。此前我们看到，关于麻醉剂存在着一个基本悖论，即我们还没有发现能够解释它们如何起作用的任何单一过程。然而，也许正是在这里，在“介观尺度”的神经元集合上，我们最终能发现不同麻醉剂之间的某种共性，正是这种共性最终导致意识丧失这个单一的共同结果。毕竟，这些强劲的药物形状大小各异，而在实际结构上，也没有什么共同的内容能够将它们定义为一组，以和其他精神科药物区别开来，甚至是那些可以在临床上发挥补充剂作用的药物，例如止痛药（止痛剂）。在这两种情况下，从传统自下而上的单个细胞层面上来看，麻醉剂和止痛剂都可以产生相似的效果：降低活性，也就是抑制。那么，对比消除疼痛和消除意识的药物，它们最重要的功能差异在哪里呢？
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在一项实验中，我们研究了与止痛药相比，不同化学成分的麻醉剂是否对神经元集合的动力学产生了不同的影响。结果表明，止痛药对脑切片中的神经元集合没有影响，但与之相对的惊人结果是，两种麻醉剂确实 有影响。它们虽然是两种不同的麻醉药物，却有相同的净效应，都能够通过延长集合的持续时间来修改集合。34 因此，对于麻醉剂来说，无论它们在微观层面对大脑内部有哪些不同的作用，重要的是它们对介观尺度的神经元集合有着相似的作用。
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正如我们已经确定的，单个孤立的脑区与意识没有一对一的关系。然而，这个发现告诉我们，神经元集合以某种方式与最终的意识或无意识状态相关，这使得它们会受到那些意识阻断剂的特殊影响，而像止痛药一样仅仅能改变意识内容的物质对神经元集合则没有影响，当使用止痛药时，你只是感觉不到疼了，却依然保持着清醒。只有被定义为具有剥夺意识的能力的麻醉剂，才能在不同情况下延长集合持续的时间。临床医生已经意识到，持续的癫痫发作会阻断意识。35 因此，持续的集合激活也可能最终导致相似的结果。然而，我们这里所用的脑切片无法从有意识逐渐变得无意识，因为它们从最开始就是没有意识的。这看起来可能是一个棘手的问题，但我们确实需要在理想情况下，让脑切片准备就绪，然后用某种方法模拟从无意识到有意识的转变。
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有一种可能性是利用一个违反直觉但众所周知的事实，即当大脑暴露在极高的气压下（在实验过程中）时，持续麻醉产生的意识剥夺现象会出现令人惊讶的逆转：实验中的被试（通常是蝌蚪或小鼠）苏醒过来了。36 如果直接环境发生类似的改变，令完好的机体恢复意识，那么这种改变对脑切片中神经元集合的各个方面有影响吗？