科学家希望通过脑电图更好地理解大脑，开发更安全的麻醉药物。
牙医威廉 · 莫顿（William Morton）在用家中爱犬、一只母鸡、一条金鱼和自己进行试验后，终于做好了准备。1846年10月16日这一天，他匆忙赶往麻省总医院的外科手术室，成功完成史上第一场公开的全身麻醉展示。
莫顿用乙醚，调配上橙子中提取的精油——仅仅是为了芳香——使一位年轻男性失去了意识，之后外科医生通过手术摘除了他颈部的肿瘤。对于旁观的学生和医生而言，这就像个奇迹。这位年轻人的脑和乙醚发生了炼金术般的反应，进入了一种近似浅睡眠的状态，本该极为痛苦的手术仅有少许不适，而意识恢复后只留下了模糊的记忆。
全身麻醉的发明重新定义了外科手术和医学，但历经一个世纪后，它仍然风险很高。过度镇静会导致神经认知障碍，甚至缩短寿命；而过浅的镇静将会导致病人在手术中痛苦地觉醒，甚至造成心理创伤。科学家已经发现，麻醉药物简单来说是通过改变脑内不同结构间的交流来使人失去意识，但其中的细节仍不明晰。虽然麻醉药物主要作用于脑，但通常麻醉医师并不会监测麻醉状态下患者的脑。而近十年来，神经科学家开始利用麻醉作为工具，研究意识状态的改变。这对于麻醉学而言“很具讽刺意味”。密歇根大学的神经麻醉学家乔治 · 马苏尔（George Mashour）评价，他的工作包括使患者在神经外科手术时保持无意识的状态，以及提供合理的疼痛管理。
包括马苏尔在内的一些临床医生和科学家正在尝试改变现状。他们开始把神经科学工具带进手术室来监测患者的脑活动，同时对健康志愿者进行麻醉测试。这些开拓性工作的目标是更安全地对患者进行麻醉，为患者量身定制麻醉剂量并进行术中调整。他们也希望能够理解意识状态改变的原因，甚至破解昏迷的机制。
麻醉中的人脑
如今的麻醉药物已不再使用莫顿的原始配方，取而代之的是更新、更安全的药物。新药物包括基于乙醚开发的吸入剂，如七氟烷和异氟烷，以及被广泛应用的静脉麻醉药丙泊酚，这些药物比早期的乙醚类麻醉剂在体内代谢得更快，患者的苏醒时间更短。（同时新药物在手术室中造成火灾或爆炸的风险更小，而这在20世纪上半叶甚至是常事。）尽管进步很多，但过度镇静相关的风险仍然很高。因手术的复杂程度和时间长度不同，约17%～43%的患者会出现认知问题，其中记忆和执行功能方面尤为突出。这往往会在手术后持续1～2周，但一些严谨的研究却发现一般人群在接受手术6个月后仍然存在认知功能的改变。对于65岁以上的成人，最常见的手术相关并发症是术后谵妄，表现为注意力难以集中，思维系统性下降或意识状态改变。谵妄的持续时间从数小时至数月，同时可能成为长期认知功能损害的独立危险因素之一。美国麻醉医师协会的围术期脑健康倡议指出，通过术前认知功能评估、术中监测血液生物标志物和脑电图，能够减少10位谵妄患者中的4位。该国家级非营利计划致力于促进外科手术术中和术后年长者的脑健康。
哥伦比亚大学麻醉学副教授保罗 · 加西亚（Paul García）指出：一些研究发现，术前具有潜在认知功能缺陷者，譬如阿尔茨海默病或轻度认知障碍患者，出现长期认知功能损害或术后谵妄的风险最高。但目前学界仍无共识。风险因素仍不明晰，其中部分要归因于研究中使用的术后认知功能损害的定义不尽相同。
报道指出，一小部分的患者（1 000人中的1～2人，预估人数各异）曾有术中“意外觉醒”的体验，他们能够回忆起全身麻醉下的一些医疗操作。研究人员指出，这种体验很奇特，但微不足道。然而其中约一半的患者会指出，这一创伤体验会伴随他们多年，造成长期的心理伤害，甚至导致创伤后应激障碍。术中觉醒大多发生在麻醉医师需要通过限制麻醉药物的剂量来保护患者的情况下，譬如说当创伤性损伤和紧急剖宫产患者心率和血压不稳之时。同时麻醉药物还有相对轻微和温和的副作用，如呕吐和困倦。
如今的麻醉和1846年莫顿所展示的大不相同，麻醉不再是一次静脉注射后就让位于外科医师进行手术，而需要维持：医师需要手术全程监测患者的生命体征，如心率、血压和体温，按需调整麻醉药物的剂量。但目前医学委员会并不要求在术中监测患者的脑部信号，这项操作也不属于麻醉医师在医学院学习时的教学要求。
脑电是信号还是噪声
科学家在20世纪40年代就发现，原始脑电图（EEG）信号能够用于监测患者麻醉诱导睡眠的深度。20世纪90年代时，他们开始处理原始数据以量化指标数值，测定麻醉患者的意识水平。尽管这种想法被广泛接受，但实际手术中对患者通过EEG监测脑活动的情况少之又少，因此相关的数据并不多。著名麻醉医师埃默里 · 布朗（Emery Brown）于2011年开始利用脑部活动的速记手段EEG监测患者的脑电波。他估计在过去3年间，他在麻省总医院约1/4的同事开始使用EEG监测。
EEG记录下脑内神经元交流的电化学活动。当脑进入麻醉诱导的无意识状态，记录下的电化学活动就会呈现出一种可预测的序列模式。EEG通过紧贴头皮的电极记录下这些序列，并通过显示器上的尖波可视化之。当患者进入全身麻醉的状态，麻醉药物改变了使人保持觉醒和意识状态的网络后，波形变得频率慢而幅度大。举例来说，丙泊酚会增强抑制皮质神经元，并干扰皮质间的神经元交流，其中皮质是脑复杂功能的重要中枢，参与思考并理解环境刺激。同时它也会减弱皮质、脑干和丘脑（脑深部一个蛋形的神经元集合体，对感觉信息处理和觉醒至关重要）间的沟通。
报道指出1 000位患者中会出现1～2位经历术中“意外觉醒”
布朗和同事们在尝试基于EEG监测调整麻醉药物的用法，他表示“我们能够通过波形序列真实看见人的清醒程度，以此来调整药物剂量。”再以丙泊酚为例，麻醉医师能够通过观察脑中波形转变为高幅度、低频率的状态，如α波和慢δ波，知道患者进入了足够的麻醉和无意识状态。如果患者的麻醉程度过深，那么EEG波形会变得平坦，或是进入爆发抑制这一危险的状态，麻醉医师就需要减少麻醉药物的剂量。爆发抑制表现为脑电图中几乎平坦的直线中散落分布一些脑电冲动，出现在脑部失去活动的状态，如昏迷或低体温症。患者进入爆发抑制的风险往往由年龄和脑部健康程度决定。
并非所有人都认同EEG监测将会带来不同。一些临床试验也关注基于EEG指导术中麻醉药物使用剂量是否能够帮助患者更好地维持麻醉状态和麻醉后苏醒，但结果却不尽相同，相信未来更多试验会带来可靠结论。一种可能是手术的身体条件本身以及手术导致的炎症也会对术后认知状态造成长期影响。
EEG监测成功与否的另一个潜在障碍是，对于确实在术中进行脑部活动监测的麻醉医师而言，他们使用的技术往往依赖专利的算法进行原始数据的处理以输出一个指标数值。包括布朗在内的许多人会认为这一数值过分简化了脑部波形和麻醉之间的复杂关系。由于算法具有专利，其他科学家也很难评估该指标数值的可靠性。最常用的EEG量化工具双谱指数监测于20世纪90年代投入应用，它利用双谱处理分析各类EEG频率间的关系，对临床EEG和行为数据进行分析，得到一个可以代表患者觉醒程度的指标。但这种方法并不能解决一个问题，即脑对全身麻醉的反应会随着年龄增长而改变，因此在老年患者中并不准确。加西亚评价道：“这个指标并不代表脑在麻醉下的健康程度。”
加西亚等人认为，原始EEG数据会更具有价值。过去十年中的一些研究发现，原始EEG的序列模式，如爆发抑制（安静神经元接近平整的波形中夹杂着一些神经元活动爆发）和谵妄或是其他老年患者术后认知问题存在关联。加西亚和同事在一项纳入44至71岁的626人的研究中发现，对失去意识的患者，如果处于全身麻醉的维持期出现爆发抑制，那么他们从麻醉中醒来后出现谵妄的风险提高了一倍。
研究人员也在手术室之外进行试验，他们招募健康人群进行静脉麻醉，但不进行任何外科手术，研究被试从麻醉诱导的睡眠中醒来时会发生什么，以此作为脑在正常生理情况下如何恢复的参照。马苏尔和同事发现，健康的脑能够在数小时内很快地从麻醉中恢复，还有一些更复杂的功能，如执行功能，也会首先恢复。
30位被试经历了3小时的全身麻醉，并在之后的几小时内完成了认知测试，测试结果显示解决抽象问题的能力（大部分依靠前额叶皮质）会首先恢复，注意力和反应时间则恢复较慢。而所有的心智功能在3小时内均回到基线水平，麻醉组和对照组之间不存在差异。研究人员还发现，当被试的认知功能恢复，称作后头部优势节律的EEG节律的频率会发生下降，这种节律发生在人闭眼休息但清醒的状态下。研究人员认为麻醉后这一节律的改变能够作为认知功能恢复的神经学指标。尽管研究人员是在健康人群中作出的这一发现，但它也能够作为手术患者麻醉恢复程度的潜在生物学指标，帮助麻醉医师减少麻醉带来的认知问题。
深入内幕
更好地理解患者如何从麻醉中苏醒过来，以及在什么情况下他们的意识会挣扎，其实能够帮助科学家回答一个更加关键的问题：如何治疗昏迷等意识相关障碍。全身麻醉是研究这类问题的一个方向，研究人员能够控制人进出无意识状态，并监测麻醉起效和消退时的脑部活动改变。昏迷同麻醉相似，也出现了不同脑部网络间必要交流的变化。举例来说，在昏迷和全身麻醉时都能够发现皮质和丘脑间的交流减少。
“全身麻醉是理解回应能力和无意识状态的绝佳工具，它让你能够在两种极端的边界进行观察，”比利时列日大学的助理研究员雅典娜 · 德默茨（Athena Demertzi）认为，“在不同的麻醉状态下观察脑部网络构造的改变相当有趣。”
研究人员已经开始利用麻醉研究昏迷的治疗方法。举例来说，研究发现常用于治疗注意缺陷与多动障碍（ADHD）的哌甲酯能够促进全身麻醉下的大鼠觉醒，可能机制是通过刺激觉醒网络结点之一的脑干腹侧被盖区的多巴胺信号。在经历创伤性脑损伤的患者中，其中一些脑部连接依旧保持完整，布朗和同事在试验哌甲酯是否能够通过这些保留下来的脑部连接促进患者意识的恢复，并开始了一项I期临床试验。
德默茨在她的研究中尝试和那些保留与环境的某种关联但无法进行沟通的意识障碍患者进行交流。在某些无意识状态下，对自我和躯体的认识依旧保持完好。探测无意识患者是否具有这类边界的方法之一是：用水冲洗他们的耳朵。
德默茨将在下一个试验中对健康志愿者进行全身麻醉，通过EEG监测脑部活动并用水刺激被试的内耳。这一行为会扰乱前庭系统，该系统负责向脑呈送躯体在空间中的位置。对于清醒的人，向内耳冲水会引发快速的不自主眼部运动，并产生令人作呕的眩晕感。这种反应在数次重复刺激后会减弱，此时脑和躯体已经适应并能够预测将会发生什么。
德默茨预测对麻醉的被试进行耳部刺激后，他们的脑部活动会与前庭功能紊乱保持一致，并在数次刺激后逐渐衰减。德默茨最后将会鉴定到一种该活动的EEG信号，用于判定某人的意识程度。
“利用麻醉研究脑并不热门。”布朗评价说，但它理应热门。我们对这些广泛使用的药品理解程度越深刻，便能够有更多方法照顾各种意识状态下的患者。
资料来源Nautilus
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本文作者杰基·罗什洛（Jackie Rocheleau）是一名自由科学记者，报道脑科学、健康和医学等领域内容。