研究人员已经弄清了一种常用的全身麻醉药物是如何通过使大脑活动变得越来越不稳定来诱导昏迷的。这些发现可能会改善手术室的麻醉控制，并治疗抑郁症和精神分裂症等疾病。
病人的意识水平与医疗保健息息相关，有时被认为是指示病人医疗或神经状况的重要体征。手术室是无意识状态至关重要的场所之一，手术室使用全身麻醉剂来确保病人感觉不到疼痛并保持静止。
每天都有成千上万的人接受全身麻醉，丙泊酚作为一种麻醉剂和镇静剂被广泛使用。虽然人们对丙泊酚的作用非常了解，但却不知道它是如何导致昏迷的。然而，麻省理工学院研究人员的一项新研究通过考察丙泊酚对神经元活动的影响给出了答案。
麻省理工学院皮考尔学习与记忆研究所（Picower Institute for Learning and Memory）神经科学教授、该研究的共同通讯作者厄尔-米勒（Earl Miller）说："大脑必须在兴奋与混乱之间的刀锋上运行。它必须足够兴奋，神经元才能相互影响，但如果过于兴奋，就会陷入混乱。丙泊酚似乎会破坏使大脑保持在狭窄工作范围内的机制"。
许多关于意识的理论都集中在大脑的网络结构上，它整合了信息并将器官的不同部分联系起来。一种著名的理论认为，意识来自于"点火"，即在整个大脑中产生活动脉冲（或尖峰）的输入。在这里，研究人员假设，意识的一个关键因素是"动态稳定性"的概念，即米勒提到的大脑工作范围，而丙泊酚和其他麻醉剂可能会干扰这种稳定性。
在一个人进入无意识状态时测量其动态稳定性，可以让研究人员确定无意识状态是由过多还是过少的稳定性造成的。换句话说，是全身麻醉剂导致大脑过于稳定和反应迟钝从而导致昏迷，还是麻醉剂导致的过度兴奋和混乱状态导致昏迷？以往的研究得出了相互矛盾的结果，有的说麻醉剂会导致稳定，有的说会导致混乱。
研究人员给动物注射了一小时的丙泊酚，在此期间它们逐渐失去了意识。研究人员记录并分析了涉及视觉、声音处理、空间意识和执行功能的四个大脑区域的电活动。为了从部分观测数据中重建大脑的整体活动，研究人员利用塔肯斯定理使用了一种名为延迟嵌入的技术。
现在，这个定理被用于一个叫做动力系统理论的数学分支中，它本身就需要一些繁重的数学知识，所以我会尽可能简单地介绍一下。塔肯斯的延迟嵌入定理使得用时间（部分数据观测）换取空间（系统的完整吸引子）来描述非线性动态系统成为可能。吸引子"是动态系统趋向演化的一种状态或行为，与起始条件无关。
在清醒的大脑中，神经活动在任何输入后都会出现尖峰，然后才会恢复到基线活动水平。然而，研究人员观察到，一旦开始注射丙泊酚，动物的大脑在输入声音等信息后需要更长时间才能恢复到基线水平，并一直处于过度兴奋状态。这种影响越来越明显，直到动物失去知觉，这表明丙泊酚抑制了神经元活动，导致越来越不稳定，最终失去知觉。研究人员随后使用计算神经网络模型复制了这种效应。
麻省理工学院研究生、该研究第一作者亚当-艾森（Adam Eisen）说："我们研究了一个神经元相互连接的简单电路模型，当我们在该模型中增加抑制作用时，我们看到了不稳定性。因此，我们提出的一个观点是，抑制作用的增强会产生不稳定性，而这种不稳定性随后会与意识丧失联系在一起。"
如果你认为这听起来有违直觉，但确实如此。
脑与认知科学教授、该研究的另一位通讯作者伊拉-菲特解释说："这种矛盾的效果，即增强抑制作用会破坏网络的稳定性，而不是使其沉默或稳定。当丙泊酚增强抑制性驱动力时，这种驱动力会抑制其他抑制性神经元，结果就是大脑活动的整体增加。"
丙泊酚作用于一种类型的神经元和受体，而其他麻醉剂则作用于其他类型的神经元和受体。研究人员目前正在探索其他麻醉药物是否通过不同的方式达到同样的效果。
米勒说："如果你发现了不同麻醉剂的共同作用机制，就可以通过调整几个旋钮让它们都变得更安全，而不必一次为所有不同的麻醉剂制定安全协议。不需要为手术室中使用的每种麻醉剂都配备不同的系统，需要的是一个能满足所有需求的系统。"
研究人员还计划将他们的动态稳定性测量方法应用于其他大脑状态，包括神经精神疾病。
菲特说："这种方法非常强大，我认为将它应用于不同的大脑状态、不同类型的麻醉剂以及其他神经精神疾病（如抑郁症和精神分裂症）将会非常令人兴奋。"
这项研究发表在《神经元》（Neuron）杂志上。