华南师大团队发现新型神经活动模式，为意识障碍的诊疗提供参考
“在一定程度上，我们的研究推进了人类对于植物状态的理解，触及了植物状态可能存在的机制，为建立植物状态的动物模型提供了切入点，也为二维度意识理论提供了直接证据，有助于进一步理解意识产生的神经机制。”华南师范大学秦鹏民教授表示。
在近期一项研究中，他和团队发现了与唤醒特异性相关的神经活动模式，填补了觉醒特异相关神经活动的空白，并利用多个神经图像数据集，确定了与意识觉醒部分的强相关特征。
目前，这一系列研究主要关注觉醒的基础机制。就应用前景来说：指导研究人员建立面向意识障碍的动物模型，是一个可能的应用方向。
在本次发现的基础之上，如果通过特定手段来调控实验动物比小鼠或猴子，即调控它们的丘脑腹后外侧核与全脑共激活的水平，就有希望建立“动物的植物状态”，从而建立意识障碍的动物模型。
“不过，对于这个假设仍然需要通过更多实验进行探讨。”秦鹏民说。
图丨秦鹏民（来源：秦鹏民）
为何成果越多，争议越多？
据介绍，在针对严重意识障碍的临床诊断中，无反应性觉醒综合征也被称为植物状态，处于植物状态的患者通常被称为“植物人”。
植物人没有对于周围环境的意识，也没有对于自己的自我意识，即没有具体的意识内容。
但是，他们依然拥有睡眠觉醒周期，能够自发地睁眼，在行为上表现出类似于正常人的高觉醒水平。
基于这一现象，此前研究严重意识障碍的学者们，曾提出了意识的理论假设：即对于完整的意识来说，它至少需要包含意识内容和唤醒水平这两个维度。
意识内容，是指个体对于周围环境和自身状态的觉知，这种评估基于个体对外界刺激的有意义反应。在临床上，一般通过针对性的行为量表来进行判断。
唤醒水平，则通过个体的行为能力加以反映，比如眼睛睁开这一行为便被认定为高唤醒。
基于这一理论框架，人们将各种意识状态大致分为四类：
其一，完全清醒，既是一种高唤醒水平，也是一种高意识内容；
其二，深度睡眠和麻醉，既是一种低唤醒水平，也是一种低意识内容；
其三，植物状态，是一种高唤醒水平，但却是一种低意识内容；
其四，快速眼动睡眠（常伴随梦境），是一种低唤醒水平，但却是一种高意识内容。
目前，大部分研究主要围绕意识内容开展，即利用脑电图、功能磁共振、正电子断层扫描等脑影像技术，结合睡眠、麻醉和意识障碍，来探讨意识内容的神经相关物。
尽管领域内已经积累了不少成果，但是至今尚未出现能得到广泛认可的理论。相反，随着该类成果的积累，争议反而愈发增多。
同时，这些研究主要从“意识内容有无差异”的角度出发。秦鹏民认为，既然始终难以取得进展，不妨换一个角度入手。
对于无意识状态（即植物状态）和有意识状态（即健康清醒状态）来说，高唤醒是它们的共同特征。
那么，假如先不考虑意识内容的有与无，而是从上述共同特征入手，或许能为为意识研究开辟新的路径。
这时，在二维度意识理论的框架之下，并对植物状态的脑活动特征进行重新审视之后，课题组提出了一个问题：既然植物状态患者具有较高的唤醒水平，那么其所对应的神经活动基础是什么？
通过一番研究，该团队发现“植物状态被认为是高唤醒状态”这一观点，仅仅建立在少量证据之上。
详细来说：
首先，行为学上的依据，是患者能够自主睁眼；
其次，影像学上的依据，是患者的脑干显示出与健康清醒状态类似的活动水平，或者能展示出特异的脑电活动模式。
但是，针对脑干、皮层下结构、和皮层进行信息交互的证据，仍然是一片空白。这意味着，对于与唤醒水平特异性相关的神经活动，人们仍然不甚清楚。
“由此我们甚至可以怀疑‘植物状态具有高唤醒’这一观点的合理性。”秦鹏民表示。
那么，到底什么是唤醒水平的神经活动基础？
为研究这一问题，针对清醒、深度睡眠、快速眼动睡眠、麻醉、意识障碍等多种意识状态，在功能磁共振技术的帮助之下，他们发现了一个新现象。
这一新现象的内涵在于：全脑水平的共激活，可能与觉醒水平存在特异的相关关系，但却与意识内容无关。
基于此他们开展了本次研究，从而探讨了当代意识研究中的一个重要课题：针对意识的特定方面比如意识和唤醒，不同丘脑核所能起到的贡献是什么？
最初，他们想到：静息态（即睁闭眼）是人类最基本的状态变化，反映着觉醒状态的轻微变化。
因此，他们尝试使用一篇参考文献中的方法，针对静息态睁闭眼数据加以分析。
通过此，他们发现全脑与丘脑的共同活动，都已经发生变化。“这让我们想起很多文献都曾指出，丘脑与觉醒存在着紧密关系。因此我们推测，这可能意味着全脑与丘脑的协调活动，对于觉醒变化呈现出十分敏感的特征。”秦鹏民说。
（来源：Cell Reports）
后来，该团队纳入了多种意识状态的功能磁共振数据，包括睡眠数据、麻醉数据和意识障碍数据。
结合深度睡眠和麻醉状态的数据，他们发现丘脑与全脑的协同活动程度，在这两个状态之下均出现下降。
于是，他们进一步缩小了丘脑范围，进而确定了几个核团，其中就包括丘脑腹后外侧核这一核团，从而让课题组的假设得到初步验证。
不过，令人惊讶的是，他们发现丘脑腹后外侧核和全脑的共同活动，在“植物人”患者中均能保持较高的水平，并与清醒被试者呈现出一定的相似性。
正是这一发现让他们更加确信：“植物人”患者存在高觉醒水平、低意识内容的独特现象。
后来，他们又纳入一组“植物人”患者的数据，对其进行重复验证，结果仍能发现同一个结果。
后来，相关论文顺利进入 Cell Reports 的审稿阶段。根据评审专家的意见，他们又补充了快速眼动期间的睡眠数据，并针对更多不同的觉醒状态加以对比，从而为论文结论提供了更坚实的证据。
事实上，在研究伊始担任论文第一作者的韩俊荣博士（现为华南师范大学副研究员），并没有第一时间想到利用全脑共激活的指标来研究植物状态，而是打算研究全脑共激活在睁闭眼两种状态之下的差异。
“后来，当我们把课题讨论扩大到‘植物人’的睁眼特点时，才想到丘脑核团与全脑皮层的共激活，可能是维持唤醒水平的脑网络活动机制，这让我觉得平时看上去漫无目的讨论，可能会带来惊喜的想法。”秦鹏民说。
最终，相关论文以《觉醒的神经相关性：腹侧后外侧核-整体瞬时共激活》（he neural correlates of arousal: Ventral posterolateral nucleus-global transient co-activation）为题发在 Cell Reports[1]。
华南师范大学韩俊荣特聘副研究员是第一作者，复旦大学华山医院毛颖教授、中国科学院生理物理研究所何生教授、华南师范大学秦鹏民教授担任共同通讯作者。
图| 相关论文（来源：Cell Reports）
脑科学研究的“仰望星空”与“脚踏实地”
此外，秦鹏民补充称，本次研究将丘脑与全脑皮层的共激活，视为唤醒水平的特异性神经活动。但是，在不同的理论框架下，可能有不同的理解。
因此，他们希望能与更多学者在不同理论框架之下展开讨论，真正推动人类对于意识的理解，并避免让不同理论或不同概念体系阻碍对于意识的理解。
而在接下来，他们将进行跨物种的研究，探索其他物种是否也具有类似的唤醒神经机制。
同时，也将纳入更多的唤醒状态数据，以便深入探究唤醒的神经活动，到底如何影响着针对特定外界刺激的知觉，并将进一步探究唤醒与意识内容的交互机制。
另据悉，课题组此前基于脑科学的研究，也曾被成功用于脑机接口技术。
之前，他们曾和华南理工大学李远清教授团队合作，利用脑机接口技术来检测意识障碍患者中的认知运动分离情况，这不仅能更实现有效的检测，并且这些患者通常具有更好的预后，相关论文已于 2020 年发表在 Brain。
整体来看，课题组既有围绕基础科学的研究，也有围绕热门技术的探索，这大概正是脑科学研究的“仰望星空”与“脚踏实地”。
参考资料：
1.Han, J., Xie, Q., Wu, X., Huang, Z., Tanabe, S., Fogel, S., ... & Qin, P. (2024). The neural correlates of arousal: Ventral posterolateral nucleus-global transient co-activation.Cell Reports, 43(1).
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