意识状态的测定

admin Post in 2013.04, 医学广角
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作者:Dan Cossins

 编译:武尉杰,谭睿教授,西南交通大学

研究人员正在确定独特的大脑活动模式,可以用来监测麻醉状态下的病人和评估“植物人”患者的意识状态。

全身麻醉在手术中已经从可怕的折磨转变成了一种病人感觉不到疼痛的过程。然而,尽管麻醉被广泛使用,然而人们对麻醉是如何使意识丧失的所知甚少,这一盲点因病人偶尔会在手术中醒来的事实被更加关注了。但在过去的5年中,研究人员在探究意识丧失和恢复时大脑发生了什么方面已经取得了显著进展。

通过分析麻醉大脑的神经影像学和脑电图(EEG)记录,科学家们发现了支持“整合信息理论”的证据,该理论认为意识是依赖于大脑不同区域之间的信号传递,并随信号中断而消退。脑电图研究也揭示了意识丧失和恢复时独特的脑电波信号,为这种通讯损伤提供了明显的标识物。

尽管仍然存在许多问题,但大脑活动监测方面的进步揭示出了意识的神经基础,从而根除了手术中醒觉的噩梦。另外,结合脑电图,脑磁刺激,研究人员或许能够侦测意识并跟踪被诊断为“植物人”的无反应患者的意识恢复,最近几年这些人已被证明有时会比以前有更高层次的意识。

非同步大脑

为了梳理或更精确地弄清意识或意识丧失的神经标记物,一组由马萨诸塞州总医院(MGH),哈佛医学院的麻醉和生物工程学家帕特里克·珀登领导的团队,近期观察了一位在手术中增加了常用麻醉药物异丙酚剂量的癫痫患者的大脑活动。手术的目的是去除此前被植入患者大脑用于监测癫痫发作的电极,但在他们被取出来之前,电极能够帮研究人员研究除大量脑电图记录中大规模脑活动外的皮层中单个神经元的活动。

去年11月在《美国国家科学院院刊》发表的论文中,研究人员报道称意识失去的几秒前,作为显示患者对声音的刺激反应,脑电图显示出了低频(> 1赫兹)或缓慢振荡。与此同时,植入的电极显示在脑皮层附近不同区域的单个神经元发射信号的总效果会每隔几百毫秒被打断,这是一种不寻常的模式,因为脑皮层的神经元发射信号通常是连续不中断的。团队意识到整个脑皮层中的缓慢振荡是不同步发生的,也就是说,当一组神经元在一个区域发射信号,另一组神经元在附近的区域往往是沉默的。这种模式可能扰乱的皮层区之间的信息通道,在过去几年的若干研究显示某些东西与意识的丧失有关联。

一位密歇根大学神经系统和麻醉学家乔治说,在间断神经元组织包括皮层和整个大脑区域中通信的重要性,类似于一个乐队的音乐演奏。他说,“你需要在时间或空间上把音乐信息联系在一起才真正有意义”。“意识和认知活动可能是相似的。如果大脑的不同区域是不同步的,或者如果与认知活动关联的一个关键领域不正常,你可以呈现昏迷状态”。

意识监控

今年早些时候,珀登和他的同事们仅仅使用脑电波,更详细地辨别出了意识丧失时的神经元信号。通过对遭受异丙酚诱导麻醉的正常患者的2小时的监控,他们观察到随着反应消失,高频率的脑电波(12-35赫兹)遍布了整个皮层并且丘脑则被两种不同的一个接一个的叠加的脑电波取而代之;它们分别是一个低频(< 1赫兹)和一个α频率(8-12赫兹)的电波。珀登说:“这两种电波在意识丧失时会大量出现”。

首先,当患者被注射镇静剂时,在低频波达到最低点时α波则会达到峰值,研究者把这种模式称为“高峰低谷”。 当患者完全停止响应,这种关系翻转;α和低频波同时达到峰值,这被称为“峰谷”模式。然后,在患者开始再次响应时, 恢复“峰槽”。 珀登说,“我们现在通过发现峰谷模式能确定某人是无意识的”。 “我们还可以通过观察峰槽模式来预测他们何时能够恢复意识”。

一位书的合著者,麻省理工学院的神经科学家及麻省总医院的麻醉学家埃默尔·布朗补充说,该模式是鲜明、可靠的,可以直接应用在诊所。他说,“我们已经开始教我们的麻醉师怎样理解脑电图上的信号”,从而改善目前手术过程中监测患者的方法。

威斯康辛大学正在研究意识神经生理学的神经系统学和麻醉学家罗伯特·皮尔斯说,“这些一系列漂亮精细的的变化真的很有前景”。“很明显的,这些[脑电图模式]是与意识水平有关的”。

一个通用的措施?

麻醉不是失去意识的唯一状态,那么用来评估植物人意识状态的标志物是否是相同呢?马索尔说不一定,因为这两个状态是截然不同的,并且可能是由不同的神经机制所导致的。但是,他补充说,“我们越关注意识的测定,而非麻醉剂的影响,我们未来的监测就越是多方面的”。

有了这个目标,皮尔斯和威斯康星大学的神经系统学家、意识综合信息理论的鼻祖朱利奥·托诺尼,结合脑电图的记录和经颅磁刺激(TMS)来测定在自然快速眼动(REM)睡眠和麻醉,以及脑损伤、反应迟钝的患者之中的神经网络间的关系。利用电磁线圈激活一小块人类大脑皮层神经元,然后记录脑电波的输出来跟踪传播到其他神经元组织中的信号,研究人员可以测定皮层和其他脑区域的神经元组织之间的联系。

皮尔斯说:“这是一个灵活的方法”,“你可以直接激活的皮层神经元中的某一部分,看看其他部分如何回应”。

如果整合信息理论是正确的,那么研究人员将能够使用自己的方法来评估意识水平,甚至是受损的大脑,这可能不会与麻醉的大脑表现出相同的脑电图意识标志物。事实上,米兰大学的托诺尼和马尔切罗·马西米尼已经在严重脑损伤,无法交流的患者-包括植物人状态的患者,微创意识的病人,和那些完全清醒的但无法移动的闭锁综合征患者当中证明了这一观点,并建立这一技术且证明了它的价值。

在微创意识患者中,磁刺激信号传播相当广泛,偶尔到达遥远的皮层区域,就像意识清醒的闭锁综合征患者出现的激活状态。另一方面,处于持续植物人状态的病人中的传播是极为有限的,这与先前测试的麻醉患者中的联系中断是相似的。另外,后来恢复意识的三个植物人中,在临床迹象明显好转之前测定出了联系标志物的恢复。

2012年1月发表在《大脑》上的结果表明在有脑部障碍的患者中,“有效联系不对应意识状态”,皮尔斯说,结合经颅磁刺激/脑电图是一种测定无法与外界沟通的脑损伤患者意识的有效方法。

皮尔斯说:“我认为对意识本身的理解能够帮助我们找到普遍适用的成功的测量方法”。

校正(4月18日):帕特里克·珀登是马萨诸塞州总医院和哈佛医学院的一名生物工程和麻醉学讲师,而非是美国麻省理工学院的麻醉学和神经系统学家。该文本已更改,以反映这一点。科学家对该错误感到遗憾。

 

                

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