麻醉劑是如何影響大腦的？

研究人員測試了麻醉狀態(tài)下大腦判斷感官刺激是否新穎的能力。盡管大腦后部的感覺區(qū)域仍能處理聲音，但它們無法將新穎性的信息傳遞給大腦前部——負(fù)責(zé)行為決策的區(qū)域。

我們的腦子時刻在預(yù)測周圍的變化，以確保能夠應(yīng)對意外事件。一項新研究深入探討了大腦在清醒狀態(tài)下是如何運作的，同時也研究了在全身麻醉下這些機制是如何失效的。研究結(jié)果進(jìn)一步支持了這樣一種觀點：有意識的思考需要大腦的感覺區(qū)域與高級認(rèn)知區(qū)域通過特定頻段的大腦節(jié)律進(jìn)行同步通信。

美國麻省理工學(xué)院皮考爾學(xué)習(xí)與記憶研究所和范德堡大學(xué)的研究團(tuán)隊此前曾揭示，大腦節(jié)律是如何幫助我們時刻準(zhǔn)備應(yīng)對突發(fā)事件的。位于大腦前部的認(rèn)知區(qū)域通常通過較低頻率的a和B節(jié)律，抑制后部感覺區(qū)域?qū)σ咽煜さ娜粘４碳ぃɡ缤峦夥诺囊魳罚┑奶幚怼６?dāng)感覺區(qū)域檢測到突發(fā)事件（例如辦公室的火警）時，它們會使用更快的y節(jié)律向高級區(qū)域發(fā)出信號，高級區(qū)域會利用y頻率處理信息并作出決定（例如迅速撤離）。

10月7日發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上的最新研究顯示，使用丙泊酚進(jìn)行全身麻醉下的動物雖然保留了一定的檢測簡單意外的能力，但大腦后部的感覺區(qū)域與前部高級認(rèn)知區(qū)域之間的通信中斷。這種通信中斷使得高級區(qū)域無法對感覺區(qū)域進(jìn)行“自上而下”的調(diào)控，導(dǎo)致對簡單和復(fù)雜的意外都失去了反應(yīng)能力。

溝通中斷的地方

“這項研究揭示了意識的本質(zhì)，”研究的共同資深作者、麻省理工學(xué)院皮考爾學(xué)習(xí)與記憶研究所和大腦與認(rèn)知科學(xué)系的教授厄爾·米勒說道，“丙泊酚麻醉削弱了支持認(rèn)知的自上而下的過程，基本上切斷了大腦前部和后部之間的交流。”

另一位共同資深作者、范德堡大學(xué)心理學(xué)助理教授、曾是麻省理工米勒實驗室成員的安德烈·巴斯托斯補充道，這一發(fā)現(xiàn)強調(diào)了前額葉區(qū)域在意識中的關(guān)鍵作用。

“隨著科學(xué)界對意識機制及其與大腦預(yù)測能力的關(guān)系日益關(guān)注，這些結(jié)果顯得尤為重要。”巴斯托斯表示。

麻醉顯著改變了大腦的預(yù)測能力。值得注意的是，大腦前部的認(rèn)知區(qū)域在預(yù)測能力上的下降，比感覺區(qū)域更加明顯。這表明前額葉區(qū)域在啟動“點火”事件中起到了重要作用，從而使得感覺信息進(jìn)入意識。單靠感覺皮層的激活并不足以產(chǎn)生有意識的感知。這些發(fā)現(xiàn)幫助我們縮小了意識機制的潛在模型。

領(lǐng)導(dǎo)這項研究的研究生蘇菲·熊指出，麻醉劑縮短了大腦皮層不同區(qū)域之間的交流時機。

“在清醒狀態(tài)下，腦電波為神經(jīng)元提供了短暫的最佳激發(fā)窗口，這就是所謂的大腦‘刷新率’，”蘇菲解釋道，“這種刷新率有助于組織大腦各個區(qū)域的有效溝通。而麻醉不僅減慢了刷新率，縮短了大腦區(qū)域之間交流的時間窗口，還降低了刷新效率，導(dǎo)致神經(jīng)元的激發(fā)時間變得更加混亂。當(dāng)刷新率無法正常工作時，我們的預(yù)測能力就會大幅減弱。”

從“怪異現(xiàn)象”中學(xué)習(xí)

在這項研究中，神經(jīng)科學(xué)家測量了兩只動物大腦皮層中數(shù)百個神經(jīng)元的電信號（即神經(jīng)脈沖），以及它們的協(xié)同活動節(jié)律，同時動物在聽一系列音調(diào)。有時這些音調(diào)都是相同的（例如AAAAA），有時會出現(xiàn)簡單的意外，研究人員稱之為“局部異常”（例如AAAAB）。但有時意外會更復(fù)雜，稱為“全局異常”，例如，在看到一系列AAAAB之后突然出現(xiàn)AAAAA，這違反了全局模式，而不是局部模式。

米勒指出，先前的研究表明，感覺區(qū)域（在本研究中為顳頂區(qū)，簡稱Tpt）可以自行檢測局部異常。而檢測更復(fù)雜的全局異常則需要高級區(qū)域（本例中為額葉眼區(qū)，簡稱FEF）的參與。

動物在清醒狀態(tài)和接受丙泊酚麻醉時都聽了這些音調(diào)序列。在清醒狀態(tài)下，研究人員觀察到FEF通過自上而下的。節(jié)律向Tpt傳遞預(yù)測信號，當(dāng)出現(xiàn)異常時，Tpt的Y節(jié)律增加，F(xiàn)EF也對y活動的上升做出反應(yīng)。

然而，通過多項測量和分析，研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)動物失去意識后，這些動態(tài)就會崩潰。

例如，盡管在麻醉下局部異常仍然顯著增加了Tpt的神經(jīng)脈沖，但FEF的活動卻不再像清醒時那樣同步上升。

同時，在清醒狀態(tài)下，當(dāng)全局異常出現(xiàn)時，研究人員可以使用軟件解碼FEF和前額皮層（另一個認(rèn)知區(qū)域）中的神經(jīng)元活動，識別異常的表征。他們同樣可以解碼Tpt中的局部異常。然而在麻醉狀態(tài)下，解碼器無法再可靠地識別FEF或前額皮層中的局部或全局異常。

此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，清醒與麻醉狀態(tài)下的腦區(qū)節(jié)律存在明顯差異。清醒時，異常剌激會增加Tpt和FEF中的Y活動，并減少節(jié)律。而在麻醉狀態(tài)下，局部異常在Tpt中引發(fā)的y活動甚至比清醒時更強烈。

研究人員寫道：“丙泊酚麻醉下，節(jié)律的抑制功能減弱或消失，導(dǎo)致感覺皮層對異常刺激的抑制能力下降。”

對區(qū)域間連接和同步性的進(jìn)一步分析表明，這些區(qū)域在麻醉期間失去了有效交流的能力。

總體而言，這項研究的證據(jù)表明，有意識的思考需要從大腦前部到后部的廣泛協(xié)調(diào)。

研究人員總結(jié)道：“除了感覺皮層的激活外，前額皮層的激活對于意識感知也至關(guān)重要。”