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2012年11月17日星期六

昏迷的大脑内的世界――麻省理工新闻

译言-自然科学与技术

译者 泽地

昏迷的大脑内的世界

一项新的研究揭示了麻醉过程中,标志着意识丧失的脑电波模式。


Inside the unconscious brain

图中有色原点代表着用于测量大脑活动的电极的位置。根据脑电波振幅与星号标注位置的异步程度,逐渐由红转蓝。

图片作者:劳拉·刘易斯( Laura Lewis)

2012年11月5日

一项来自麻省理工和马萨诸塞州综合医院(MGH)的新研究第一次揭示了当病人在麻醉过程中丧失意识时,大脑内部发生了什么。


通过监视被给以一般麻醉的病人的大脑的活动,研究者得以鉴定出一种标志着意识丧失的独特的大脑活动模式。这一模式特点是极低的振幅。这意味着大脑的不同区域之间的联系的中断,偶尔在长时间的沉默中会有短暂的活动。


"从一小块区域来看,似乎一切都相当正常,但是由于这种周期性沉默,所有活动每隔几百毫秒就会被中断,导致任何交流都无法进行。"劳拉·刘易斯,麻省理工脑认知科学系的毕业生,同时也是本周的美国科学院院刊上描述这一发现的论文的第一作者,这样说道。


这一模式也许能够帮助麻醉师更好的检测病人在接受麻醉过程中的状况,避免病人在外科手术中苏醒或者在过量使用麻醉剂后停止呼吸一类的偶发情况。


"我们现在终于有了一个用于评测个体在麻醉状态下的无意识程度的客观生理学指标,"马萨诸塞州综合医院和哈佛大学麻醉指导医师,论文第二作者,帕特里克·普顿(Patrick Purdon)说。"现在临床医生知道在麻醉病人的时候,他们该从脑电波扫描仪上找什么了。"


美国科学院院刊这篇论文的另一位共同第一作者是麻省理工的维罗妮卡·维娜(Veronica Weiner),她也是麻省理工脑认知科学系的毕业生。以及埃默里·布朗(Emery Brown),麻省理工脑认知科学与健康科学技术的教授,同时也是马萨诸塞州综合医院的一位麻醉师。


联系中断


对于这一研究,研究者最关注的是一种最常用的麻醉剂,异丙酚。异丙酚可以激活神经元上的受体,使得神经元活动受到抑制,但是我们尚且不能更精确地了解它对大脑的效果。

研究者们研究了已经在脑部植入了电极的癫痫患者,来观察他们癫痫发作的情况,以及他们接受手术移除电极的过程。根据病人是否停止对每四秒播放一次的声音的反应来判断,意识的丧失发生在异丙酚处理后的40秒


利用两种不同大小的电极,研究人员得到了两种对大脑活动的不同记录。较大的电极比一个美分硬币稍大,置于约1cm远处,即可记录下整体脑电图,或者说脑电波模式。

而较小的电极,以大约仅仅4毫米的宽度形成阵列,直接对单个神经元进行记录,这也标志着第一次有人对丧失意识的人类病人的单个神经元进行直接记录。每个病人身上大概植入了50到100个电极,在不同的区域成簇分布。


通过大电极,研究者观察到了在一两秒内的意识丧失,大脑脑电图突然呈现出一种低频振荡的模式,大约每秒一次循环。在此同时,从单个神经元进行记录的电极揭示,神经元兴奋几百毫秒后又沉默几百毫秒。这种"闪烁"也就造成了我们在脑电图中看到的慢振荡。


"当一个区域被激活后,看上去他试图与之交流的另外一个脑部区域缺并没有激活。及时当这些神经元处于兴奋状态,他们依然无法向脑的其他部分传递信号。"刘易斯说。


来自华盛顿大学药学院的麻醉学教授迈克尔·阿菲达(Michael Avidan)认为,这一发现非常令人兴奋,它为脑是如何产生意识的一个理论提供了神经生物学证据。这一被称为"信息整合理论"的理论认为,大脑的大片区域形成的网络关联整合了多种不同的感觉输入,从而产生了我们对这个世界的整体感知。


当丧失意识时,"仍然会有信息输入大脑中,然而这些信息被局限在小区域内而无法被整合进入一幅全景图",并不是属于这一研究团队的阿菲达说。


信息整合的失败在之前被认为是丧失意识的一种可能的机制,然而人们并不能确定这将会如何发生。"这一发现使得这种机制的可能途径更加确定了一点,"布朗说,"它确实从基础理论上做到了,使得这一机制的各种可能方式的范围缩小了。"


精妙的平衡


接受麻醉过少的病人有在手术中途苏醒的危险,而使用过多麻醉剂又可能导致呼吸问题甚至导致呼吸停止。麻醉师必须给予恰当计量的麻醉剂,以使病人处于一个适合手术的状态。


现在,麻醉师还在依据从脑电图中自动计算出的索引监测麻醉情况。这一索引并没有能清晰地指明本来能通过直接观察慢波来确定的生理状况。


"这一发现预示着,我们应该直接观察原始脑电图,以直接寻找这种振幅。这样做可以让你直接从生理学上确认他们是否丧失了意识。"布朗说。"我们现在就可以把这项技术应用到手术上,给病人以更优质的医疗看护。"


这个研究团队现在已经开始准备着手于研究当病人意识回复时,他们大脑的活动情况。他们同时也开始研究其他的麻醉剂,观察他们是否同样产生相似的慢振幅。


"根据脑电图,还有很多其他的药物也有可能能产生这种慢振幅,然而还有一些药物似乎作用机制完全不同。"普顿说。


这项研究由国家卫生研究院主任年度新创新者奖,国家卫生研究院主任年度先锋奖,以及来自于加拿大研究中和和国立神经疾病和中风研究所的奖金提供资金支持。

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