当患者接受全身麻醉时，医生可以从几种药物中选择。根据MIT的一项新研究，尽管每种药物作用于神经元的方式不同，但都导致相同的结果：破坏大脑稳定性和兴奋性之间的平衡。研究人员发现，这种破坏会导致神经活动变得越来越不稳定，直到大脑失去意识。这一共同机制的发现可能使开发用于监测麻醉状态下患者的新技术变得更加容易。
“令人兴奋的是，有可能开发出一种通用的麻醉给药系统，它可以测量这一信号，并告诉你在手术室中使用哪种药物，你处于何种程度的无意识状态，”MIT皮考尔学习与记忆研究所的皮考尔神经科学教授Earl Miller说。Miller、医学工程与计算神经科学Edward Hood Taplin教授Emery Brown及其同事正在开发一种用于麻醉药物给药的自动控制系统，该系统将使用EEG测量大脑的稳定性，然后自动调整药物剂量。这可以帮助医生确保患者在整个手术过程中保持无意识，而不会变得过深昏迷，过深昏迷可能会在手术后产生负面副作用。
Miller和脑与认知科学教授、K. Lisa Yang综合计算神经科学中心（ICoN）主任、MIT麦戈文脑研究所成员Ila Fiete是这项新研究的资深作者，该研究今日发表在《细胞报告》上。MIT研究生Adam Eisen是论文的第一作者。
破坏大脑的稳定性
麻醉药物究竟如何导致大脑失去意识，一直是神经科学中一个长期存在的问题。2024年，Miller和Fiete实验室的一项研究表明，对于丙泊酚，答案是麻醉通过破坏大脑中稳定性和兴奋性之间的平衡来起作用。当人清醒时，他们的大脑能够维持这种微妙的平衡，对感官信息或其他输入做出反应，然后恢复到稳定的基线水平。“神经系统必须在狭窄的兴奋性范围内像刀刃一样运作，”Miller说。“它必须具有足够的兴奋性，以便不同部分可以相互影响，但如果它变得过于兴奋，就会陷入混乱的活动。”在那项2024年的研究中，研究人员发现丙泊酚将大脑击出这种称为“动态稳定性”的状态。随着药物剂量的增加，大脑在响应新输入后需要越来越长的时间才能恢复到基线状态。这种效应变得越来越明显，直到意识丧失。在那项研究中，研究人员设计了一种计算模型，用于分析从大脑记录到的神经活动。这项技术使他们能够确定大脑如何响应诸如听觉音调或其他感官输入之类的扰动，以及需要多长时间才能恢复到基线稳定性。
在他们的新研究中，研究人员使用相同的技术来测量大脑对丙泊酚以及另外两种麻醉药——氯胺酮和右美托咪定——的反应。动物被给予其中一种药物，同时分析其大脑活动，包括对听觉音调的反应。这项研究表明，丙泊酚诱导的相同失稳现象在另外两种药物的给药过程中也会出现。这种“通用特征”出现在这三种药物具有不同的分子机制的情况下：丙泊酚与GABA受体结合，抑制具有这些受体的神经元；右美托咪定阻断去甲肾上腺素的释放；氯胺酮阻断NMDA受体，抑制具有这些受体的神经元。研究人员假设，这些通路中的每一种都以不同的方式影响大脑中稳定性和兴奋性的平衡，并且每一种都导致这种平衡的整体失稳。“这三种药物似乎都做完全相同的事情，”Miller说。“事实上，你可以查看我们使用的失稳测量值，但无法分辨出正在使用哪种药物。”研究人员现在计划进一步研究每种药物如何可能引发相同的大脑失稳模式。“氯胺酮和右美托咪定的分子机制比丙泊酚机制更复杂一些，”Eisen说。“未来的方向是对这些药物的生物物理效应进行有意义的建模，并看看它们如何导致失稳。”
监测麻醉
现在，研究人员已经证明三种不同的麻醉药在大脑中产生相似的失稳模式，他们相信测量这些模式可以为麻醉期间监测患者提供有价值的方法。虽然麻醉总体上是一个非常安全的过程，但它确实存在一些风险，尤其是对于非常年幼的儿童和65岁以上的人群。对于患有痴呆症的成年人，麻醉可能会使病情恶化，并且还可能加剧抑郁等神经精神疾病。如果患者进入称为爆发抑制的更深的无意识状态，这些风险会更高。为了帮助降低这些风险，Miller和Brown（也是MGH的麻醉师）正在开发一种原型设备，可以在麻醉状态下测量患者的EEG读数，并相应地调整剂量。目前，医生在手术期间监测患者的心率、血压和其他生命体征，但这些并不能准确反映患者无意识的深度。“如果你能限制人们接触麻醉的时间，只给够用而不多给，你就能全面降低风险，”Miller说。MIT团队正在与布朗大学的研究人员合作，计划对接受手术的患者进行一项小规模临床试验，以测试他们的监测设备。
该研究由美国海军研究办公室、国家心理健康研究所、西蒙斯社会脑中心、自由共同基金会、皮考尔研究所、国家科学基金会计算机与信息科学与工程理事会、西蒙斯全球脑合作项目、麦戈文研究所和国家卫生研究院资助。
-- 来自MIT新闻
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