研究人員已經弄清楚了一種常用的全身麻醉藥物是如何透過使大腦活動變得越來越不穩定來誘導昏迷的。這些發現可能會改善手術室的麻醉控制，並治療憂鬱症和精神分裂症等疾病。

病人的意識程度與醫療保健息息相關，有時被認為是指示病人醫療或神經狀況的重要徵兆。手術室是無意識狀態至關重要的場所之一，手術室使用全身麻醉劑來確保病人感覺不到疼痛並保持靜止。

每天都有成千上萬的人接受全身麻醉，丙泊酚作為一種麻醉劑和鎮靜劑被廣泛使用。雖然人們對丙泊酚的作用非常了解，但卻不知道它是如何導致昏迷的。然而，麻省理工學院研究人員的一項新研究透過考察丙泊酚對神經元活動的影響給出了答案。

麻省理工學院皮考爾學習與記憶研究所（Picower Institute for Learning and Memory）神經科學教授、該研究的共同通訊作者厄爾-米勒（Earl Miller）說：”大腦必須在興奮與混亂之間的刀鋒上運行。

許多關於意識的理論都集中在大腦的網絡結構上，它整合了資訊並將器官的不同部分聯繫起來。一種著名的理論認為，意識來自於”點火”，即在整個大腦中產生活動脈衝（或尖峰）的輸入。在這裡，研究人員假設，意識的一個關鍵因素是”動態穩定性”的概念，即米勒提到的大腦工作範圍，而丙泊酚和其他麻醉劑可能會幹擾這種穩定性。

在一個人進入無意識狀態時測量其動態穩定性，可以讓研究人員確定無意識狀態是由過多還是過少的穩定性造成的。換句話說，是全身麻醉劑導致大腦過於穩定和反應遲鈍而導致昏迷，還是麻醉劑導致的過度興奮和混亂狀態導致昏迷？以往的研究得出了相互矛盾的結果，有的說麻醉劑會導致穩定，有的說會導致混亂。

研究人員給動物注射了一小時的丙泊酚，在此期間它們逐漸失去了意識。研究人員記錄並分析了涉及視覺、聲音處理、空間意識和執行功能的四個大腦區域的電活動。為了從部分觀測資料重建大腦的整體活動，研究人員利用塔肯斯定理使用了一種名為延遲嵌入的技術。

現在，這個定理被用在一個叫做動力系統理論的數學分支中，它本身就需要一些繁重的數學知識，所以我會盡可能簡單地介紹一下。塔肯斯的延遲嵌入定理使得用時間（部分資料觀測）換取空間（系統的完整吸引子）來描述非線性動態系統成為可能。吸引子”是動態系統趨向演化的一種狀態或行為，與起始條件無關。

在清醒的大腦中，神經活動在任何輸入後都會出現尖峰，然後才會恢復到基線活動水平。然而，研究人員觀察到，一旦開始注射丙泊酚，動物的大腦在輸入聲音等資訊後需要更長時間才能恢復到基線水平，並一直處於過度興奮狀態。這種影響越來越明顯，直到動物失去知覺，這表明丙泊酚抑制了神經元活動，導致越來越不穩定，最終失去知覺。研究人員隨後使用計算神經網路模型複製了這種效應。

麻省理工學院研究生、該研究第一作者亞當-艾森（Adam Eisen）說：”我們研究了一個神經元相互連接的簡單電路模型，當我們在該模型中增加抑製作用時，我們看到了不穩定性。

如果你認為這聽起來有違直覺，但確實如此。

腦與認知科學教授、該研究的另一位通訊作者伊拉-菲特解釋說：”這種矛盾的效果，即增強抑製作用會破壞網絡的穩定性，而不是使其沉默或穩定。當當丙泊酚增強抑制性驅動力時，這種驅動力會抑制其他抑制性神經元，結果就是大腦活動的整體增加​​。

丙泊酚作用於一種類型的神經元和受體，而其他麻醉劑則作用於其他類型的神經元和受體。研究人員目前正在探索其他麻醉藥物是否以不同的方式達到相同的效果。

米勒說：「如果你發現了不同麻醉劑的共同作用機制，就可以透過調整幾個旋鈕讓它們都變得更安全，而不必一次為所有不同的麻醉劑制定安全協議。不需要為手術室中使用的每種麻醉劑都配備不同的系統，需要的是一個能滿足所有需求的系統。

研究人員還計劃將他們的動態穩定性測量方法應用於其他大腦狀態，包括神經精神疾病。

菲特說：「這種方法非常強大，我認為將它應用於不同的大腦狀態、不同類型的麻醉劑以及其他神經精神疾病（如憂鬱症和精神分裂症）將會非常令人興奮。”

這項研究發表在《神經元》（Neuron）雜誌。