麻醉劑是如何影響大腦的？

研究人員測試了麻醉狀態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——負責行為決策的區域。

我們的腦子時刻在預測周圍的變化，以確保能夠應對意外事件。一項新研究深入探討了大腦在清醒狀態下是如何運作的，同時也研究了在全身麻醉下這些機制是如何失效的。研究結果進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域與高級認知區域通過特定頻段的大腦節律進行同步通信。

美國麻省理工學院皮考爾學習與記憶研究所和范德堡大學的研究團隊此前曾揭示，大腦節律是如何幫助我們時刻準備應對突發事件的。位于大腦前部的認知區域通常通過較低頻率的a和B節律，抑制后部感覺區域對已熟悉的日常刺激（例如同事外放的音樂）的處理。而當感覺區域檢測到突發事件（例如辦公室的火警）時，它們會使用更快的y節律向高級區域發出信號，高級區域會利用y頻率處理信息并作出決定（例如迅速撤離）。

10月7日發表在《美國國家科學院院刊》上的最新研究顯示，使用丙泊酚進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域與前部高級認知區域之間的通信中斷。這種通信中斷使得高級區域無法對感覺區域進行“自上而下”的調控，導致對簡單和復雜的意外都失去了反應能力。

溝通中斷的地方

“這項研究揭示了意識的本質，”研究的共同資深作者、麻省理工學院皮考爾學習與記憶研究所和大腦與認知科學系的教授厄爾·米勒說道，“丙泊酚麻醉削弱了支持認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、范德堡大學心理學助理教授、曾是麻省理工米勒實驗室成員的安德烈·巴斯托斯補充道，這一發現強調了前額葉區域在意識中的關鍵作用。

“隨著科學界對意識機制及其與大腦預測能力的關系日益關注，這些結果顯得尤為重要。”巴斯托斯表示。

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

領導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域之間的交流時機。

“在清醒狀態下，腦電波為神經元提供了短暫的最佳激發窗口，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域的有效溝通。而麻醉不僅減慢了刷新率，縮短了大腦區域之間交流的時間窗口，還降低了刷新效率，導致神經元的激發時間變得更加混亂。當刷新率無法正常工作時，我們的預測能力就會大幅減弱。”

從“怪異現象”中學習

在這項研究中，神經科學家測量了兩只動物大腦皮層中數百個神經元的電信號（即神經脈沖），以及它們的協同活動節律，同時動物在聽一系列音調。有時這些音調都是相同的（例如AAAAA），有時會出現簡單的意外，研究人員稱之為“局部異常”（例如AAAAB）。但有時意外會更復雜，稱為“全局異常”，例如，在看到一系列AAAAB之后突然出現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，感覺區域（在本研究中為顳頂區，簡稱Tpt）可以自行檢測局部異常。而檢測更復雜的全局異常則需要高級區域（本例中為額葉眼區，簡稱FEF）的參與。

動物在清醒狀態和接受丙泊酚麻醉時都聽了這些音調序列。在清醒狀態下，研究人員觀察到FEF通過自上而下的。節律向Tpt傳遞預測信號，當出現異常時，Tpt的Y節律增加，FEF也對y活動的上升做出反應。

然而，通過多項測量和分析，研究人員發現，當動物失去意識后，這些動態就會崩潰。

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，在清醒狀態下，當全局異常出現時，研究人員可以使用軟件解碼FEF和前額皮層（另一個認知區域）中的神經元活動，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，研究人員還發現，清醒與麻醉狀態下的腦區節律存在明顯差異。清醒時，異常剌激會增加Tpt和FEF中的Y活動，并減少節律。而在麻醉狀態下，局部異常在Tpt中引發的y活動甚至比清醒時更強烈。

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

對區域間連接和同步性的進一步分析表明，這些區域在麻醉期間失去了有效交流的能力。

總體而言，這項研究的證據表明，有意識的思考需要從大腦前部到后部的廣泛協調。

研究人員總結道：“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重要。”