研究揭示我們的大腦如何產(chǎn)生意識并失去意識

麻醉過程中藥物引起的意識喪失(mLOC)與大腦在解剖學(xué)上的宏觀連接(跨皮質(zhì)區(qū)域)的破壞有關(guān)，但大腦微電路在LOC中扮演何種角色仍不清楚。我們的大腦是如何產(chǎn)生意識的?為什么我們在麻醉過程中會失去它呢?有影響力的理論認(rèn)為，意識依賴于大腦區(qū)分特定感官輸入和大量備選方案的能力，類似于能夠從眾多結(jié)果中選擇一種。

事實上，利用fMRI在人類身上進(jìn)行的幾項研究已經(jīng)在解剖學(xué)的宏觀尺度上，也就是在大腦大區(qū)域的水平上，確定了一系列豐富的皮層活動的休息狀態(tài)。然而，哥倫比亞大學(xué)(Columbia University)領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組認(rèn)為，一個人在任何時候都能辨別一組備選方案的能力應(yīng)該來源于局部神經(jīng)元整體(神經(jīng)回路的功能構(gòu)建模塊)水平上的微觀活動模式或微觀狀態(tài)。

哥倫比亞大學(xué)Rafael Yuste實驗室的研究人員**在小鼠體內(nèi)使用細(xì)胞分辨率雙光子鈣成像技術(shù)研究了麻醉過程中神經(jīng)元微狀態(tài)的局部變化。研究小組發(fā)現(xiàn)，麻醉通過減少大腦皮層的網(wǎng)絡(luò)微觀狀態(tài)和神經(jīng)元整體來破壞神經(jīng)模式的數(shù)量，并在兩名受試者的微電極陣列記錄中證實了他們的發(fā)現(xiàn)。

他們近日發(fā)表在《Cell Systems》雜志上的研究結(jié)果表明，在mLOC過程中，大腦的功能連接在微觀和宏觀解剖尺度上都被破壞了。哥倫比亞大學(xué)Yuste實驗室主任、生物科學(xué)和神經(jīng)科學(xué)教授Rafael Yuste說:“這項研究很重要，因為它把意識的本質(zhì)問題提到了神經(jīng)元回路的層面。它提供了一條線索可以解釋由病理學(xué)或麻醉藥引起的小群神經(jīng)元協(xié)調(diào)能力的改變，以及如何導(dǎo)致意識的改變?！盰uste也是哥倫比亞大學(xué)數(shù)據(jù)科學(xué)研究所的成員，也是“大腦計劃”的發(fā)起者之一。

一種主流的觀點認(rèn)為，盡管mLOC與功能連接的宏觀破壞有關(guān)，但局部網(wǎng)絡(luò)仍在顯示類似于清醒狀態(tài)的動態(tài)，但是是以一種孤立的方式顯示的，論文的**作者M(jìn)ichael Wenzel說道：“雖然這表明LOC是由大腦各區(qū)域神經(jīng)活動不協(xié)調(diào)引起的，但我們發(fā)現(xiàn)，在mLOC過程中，局部網(wǎng)絡(luò)動態(tài)發(fā)生了顯著變化。我們的研究結(jié)果表明，意識的喪失可能源于局部微電路的改變，這將在宏觀連接方面產(chǎn)生缺陷?！彼?dāng)時是Rafael Yuste實驗室的一名副研究員。

這項研究題為“Reduced Repertoire of Cortical Microstates and Neuronal Ensembles in Medically Induced Loss of Consciousness”，為理解局部神經(jīng)元整體的動態(tài)如何導(dǎo)致意識狀態(tài)的喪失或出現(xiàn)提供了一個基礎(chǔ)。

作者指出，盡管他們希望他們的研究能對神經(jīng)回路的基礎(chǔ)科學(xué)有所幫助，但是關(guān)于局部回路在意識喪失或獲得過程中所起作用的機(jī)制研究仍然具有挑戰(zhàn)性。