麻醉师使用多种药物使病人失去意识。关于这些药物如何影响大脑意识的机制一直是个未解之谜，但麻省理工学院的神经科学家们现在已对一种常用麻醉药物找到了答案。
研究人员采用新技术分析神经元活动，发现异丙酚通过破坏大脑在稳定性与兴奋性之间的平衡来诱导无意识。这种药物使大脑活动变得不稳定，最终导致意识丧失。
“大脑必须在兴奋与混乱之间保持平衡。它需要足够兴奋以便神经元相互作用，但若过于兴奋则会陷入混乱。异丙酚似乎破坏了维持大脑在正常操作范围内的机制，”麻省理工学院皮考尔学习与记忆研究所的厄尔·K·米勒教授表示。
今天在《神经元》杂志上发布的新发现将帮助研究人员开发更好的工具来监测全身麻醉患者。
米勒与脑和认知科学教授Ila Fiete，以及麻省理工学院麦戈文脑研究所的成员共同参与了这项研究。麻省理工学院的研究生Adam Eisen和博士后Leo Kozachkov是论文的主要作者。
失去知觉
异丙酚是一种与大脑GABA受体结合的药物，抑制这些受体的神经元。其他麻醉药物作用于不同类型的受体，其导致无意识的机制尚不明确。
米勒、Fiete及其学生假设异丙酚及其他麻醉药物可能会干扰被称为“动态稳定”的大脑状态。在这种状态下，神经元有足够的兴奋性来响应新输入，但大脑能够迅速恢复控制，防止过度兴奋。
以往关于麻醉药物如何影响这种平衡的研究结果相互矛盾：一些研究认为麻醉期间大脑过于稳定而无反应，导致意识丧失；而另一些则认为大脑过于兴奋，导致混乱，最终导致无意识。
这些矛盾结果的部分原因在于难以准确测量大脑的动态稳定性。测量意识丧失时的动态稳定性将帮助研究人员确定无意识是由于稳定性过高还是过低造成的。
在这项研究中，研究人员分析了在一小时内接受异丙酚治疗的动物大脑电记录，期间它们逐渐失去意识。这些记录覆盖了大脑的四个区域，涉及视觉、声音处理、空间意识和执行功能。
由于这些记录仅覆盖大脑整体活动的一小部分，研究人员使用了一种称为延迟嵌入的技术，以克服这一限制。这项技术允许研究人员通过增加以前记录的测量来表征动力系统。
利用这种方法，研究人员能够量化大脑对感官输入（如声音）或神经活动自发扰动的反应。
在正常清醒状态下，神经活动在任何输入后都会达到峰值，然后回到基线活动水平。然而，一旦开始服用异丙酚，输入后大脑恢复到基线所需的时间变长，保持在过度兴奋的状态。这种影响逐渐加剧，直到动物失去知觉。
研究人员表示，这表明异丙酚对神经元活动的抑制会加剧不稳定，导致大脑失去意识。
更好的麻醉控制
为了验证他们是否能在计算模型中复制这种效果，研究人员创建了一个简单的神经网络。当他们增加对网络中某些节点的抑制时，网络活动变得不稳定，类似于在接受异丙酚的动物大脑中观察到的不稳定活动。
“我们研究了一个相互连接的神经元简单电路模型，发现抑制作用时出现不稳定。因此，我们建议抑制的增加会导致不稳定，进而导致意识丧失，”艾森说。
正如Fiete所解释的，“这种矛盾效应，即增强抑制使网络不稳定，而非使其沉默或稳定，是由于去抑制的发生。”当异丙酚增强抑制驱动时，这种驱动会抑制其他抑制性神经元，导致大脑活动整体增加。”
研究人员怀疑，其他作用于不同类型神经元和受体的麻醉药物可能通过不同机制产生相同效果——他们正在探索这一可能性。
如果这一假设成立，可能有助于研究人员开发更精确控制患者麻醉水平的方法。米勒与麻省理工学院的埃默里·布朗教授合作，开发这些系统，通过测量大脑动态，实时调整药物剂量。
米勒表示：“如果你在不同麻醉剂中发现共同机制，可以通过调整几个按钮使其更安全，而不是为所有不同麻醉剂制定单独的安全协议。你不希望在手术室中使用的每种麻醉剂都有不同的系统，而是希望有一个通用的。”
研究人员还计划将他们的技术应用于测量其他大脑状态的动态稳定性，包括神经精神疾病。
Fiete表示：“这种方法非常强大，我认为将其应用于不同的大脑状态、不同类型的麻醉剂以及其他神经精神疾病，如抑郁症和精神分裂症，将是非常令人兴奋的。”
这项研究得到了海军研究办公室、国家心理健康研究所、国家神经疾病和中风研究所、国家科学基金会计算机和信息科学与工程理事会、西蒙斯社会大脑中心、西蒙斯全球大脑合作、JPB基金会、麦戈文研究所和皮考尔研究所的资助。
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