有意识意味着什么？千百年来，人们一直在思考和书写这个问题。然而，关于有意识的头脑，仍然存在许多谜团，包括如何测量和评估它。意识的单位是什么？意识有不同的层次吗？睡眠、昏迷和全身麻醉期间意识会发生什么？
作为麻醉师，我们经常思考这些问题。我们每天都向患者承诺，在手术期间，他们将与外界和内心的想法隔绝，不会保留任何手术体验的记忆，也不会感到疼痛。通过这种方式，全身麻醉促成了巨大的医学进步，从显微血管修复到实体器官移植。
除了对临床护理的巨大影响外，麻醉剂已成为强大的科学工具，可以探究有关意识的问题。它们使我们能够诱导意识状态发生深刻且可逆的变化——并研究这些转变过程中的大脑反应。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑支持我们屡获殊荣的新闻报道，方式是 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
但麻醉师面临的挑战之一是测量从一种状态到另一种状态的转变。 这是因为许多现有的方法会中断或扰乱我们试图研究的内容。 本质上，评估系统会影响系统。 在人类意识研究中，确定某人是否有意识可能会唤醒被研究者——从而混淆了该评估。 为了应对这一挑战，我们采用了一种简单的方法，我们称之为呼吸-挤压法。 它为我们提供了一种研究意识状态变化的方法，而不会中断这些转变。
为了理解这种方法，它有助于考虑一些来自意识研究的见解，这些研究使用了麻醉剂。 几十年来，研究人员一直使用脑电图 (EEG) 来观察接受各种麻醉剂的人的大脑电活动。 然后，他们可以使用脑电图读数分析该活动，以表征特定于各种麻醉剂的模式，即所谓的麻醉签名。
此类研究表明，大多数麻醉药物会减慢大脑的节律并增加其幅度，这些影响会损害大脑区域之间的交流。 例如，最近的一项研究发现，丙泊酚（全身麻醉最常用的药物）可以扰乱大脑区域通常协同工作以处理感觉信息的方式。
这项研究和其他研究表明，意识不仅仅是一个二元概念——开或关，有意识或无意识——而是一种可以包含不同状态连续体的概念，这些状态涉及不同类型的大脑功能。 例如，意识可以通过我们的感官和行为与环境相连（连接意识），就像我们大多数清醒的时间一样，或者与周围环境断开连接（断开连接的意识），就像我们在睡眠期间做梦时一样。
无意识——就像某人处于昏迷状态时一样——比连接意识或断开连接的意识更难研究，但它通常被理解为一种遗忘状态，没有主观体验或记忆。 当我们为患者准备手术时，我们会调整麻醉剂的剂量以使其失去意识。 当某人接受全身麻醉时，他们正在经历一种暂时的、可逆的昏迷，在此期间他们不会感到疼痛，并且之后他们将不会对手术有任何记忆。
理解这些状态之间的转变对于确保充分的全身麻醉水平，以及阐明麻醉学、意识、睡眠和昏迷研究中的问题至关重要。 为了更好地绘制出连接意识的转变，我们最近采用了一种新方法，用于监测一个人在没有外部提示的情况下产生意志行为的能力。
通常，研究人员通过发出口头命令并记录行为反应来跟踪镇静的开始。 例如，科学家可能会在某人接受麻醉剂输注时定期要求他们睁开眼睛或按下按钮。 一旦此人停止响应此命令，科学家就会认为他们已经失去了连接意识。
这项技术已被证明可用于对比连接意识和断开连接意识的头脑。 但是，当涉及到理解这些状态之间的转变时，存在几个缺点。 首先，听觉提示不标准化：声音的语调和音量、所说的内容以及重复的频率在研究之间甚至研究内部都各不相同。 更根本的问题是，这些命令可能会在人们进入断开连接状态时唤醒他们。 这种限制意味着研究人员通常需要等待几分钟才能发出口头命令并评估响应——从而增加了转变确切时间的不确定性。
在我们的研究中，我们想要一种更灵敏、更精确的方法来测量镇静的开始，而不会冒扰乱转变的风险。 因此，我们转向了睡眠研究人员在马萨诸塞州总医院和约翰·霍普金斯大学于 2014 年首次描述的方法。 在那项工作中，研究人员要求参与者在每次吸气时挤压一个球。 研究人员使用测力计（一种测量握力的工具）和肌电图传感器（一种测量肌肉反应的工具）来跟踪每个人的挤压。 通过这种方式，他们能够精确地跟踪睡眠开始过程而不会中断它。
为了我们的研究，我们使用相同的任务训练了 14 名健康的志愿者，并将呼吸-挤压练习作为一种正念冥想呈现。 我们指示参与者专注于他们的呼吸，并在每次吸气时挤压一个手持式测力计。 在对每个人进行几分钟的训练后，我们在他们的手臂中放置了一根静脉导管以输送镇静剂，并设置了生命体征监护仪和一个合适的 64 通道脑电图帽，以记录整个实验过程中的脑电波。
在没有任何镇静的初始基线期间，所有参与者都可靠地将其挤压与呼吸同步。 然后，他们接受了右美托咪定（一种常用于手术室和重症监护室的镇静剂）的缓慢输注。 随着右美托咪定在大脑中的浓度增加，参与者偶尔会错过挤压或错过挤压时间。 最终，他们完全停止挤压。
在进行了一些额外的测试后，我们关闭了右美托咪定输注，让参与者从镇静中恢复过来。 令我们惊讶的是，经过 20 到 30 分钟的时间后，每个人都记住了这项任务，并开始在没有任何提示的情况下自发地与他们的呼吸同步挤压。 这使我们能够分析镇静开始和镇静结束的时间，并将它们与之前使用口头命令评估意识的研究进行比较。
呼吸-挤压任务显然是一种更灵敏的方法，可以测量连接意识的转变。 参与者停止执行任务时的右美托咪定浓度低于其他研究中观察到的人们停止响应听觉提示时的浓度——突出了外部提示对系统的唤醒作用。 这些发现也可能表明，连接意识可以进一步细分为内部产生的行为（例如提醒自己在吸气时挤压球）和外部提示的行为（例如响应口头命令），它们具有不同的转变点——这一想法改进了我们对意识连续统一体的理解。
过去的研究已经描述了连接意识和断开连接意识状态下大脑的样子——因此我们大致知道脑电图记录的预期结果。 但我们不太确定我们的技术如何与大脑在意识状态之间的转变相一致。 我们发现，在人们停止挤压球的时候，大脑中出现了非常清晰的变化模式。 此外，我们没有看到任何证据表明挤压任务扰乱了人们的意识状态。 脑电图还揭示了比过去工作更具体的变化时间范围，将转变精确到大约 5 到 6 秒的窗口期，而不是过去工作中常见的 30 到 120 秒的间隔。
作为一个额外的福利，我们很高兴地发现，我们研究中的许多参与者都喜欢呼吸-挤压任务，将其作为一种专注于平静身心的方式。 因此，我们也在临床实践中实施该方法——即在精心控制的研究之外——在为大型手术诱导全身麻醉时，否则这可能会给患者带来压力。
我们现在正在通过分析我们的脑电图数据以及我们志愿者的结构磁共振成像 (MRI) 数据来进一步开展这项工作。 这些对从连接意识向断开连接意识转变的见解可以帮助指导需要手术麻醉的患者的临床护理，以及患有睡眠障碍或昏迷的患者的临床护理。 这些研究还促使我们认真思考意识的更深层哲学方面，并可能由此阐明有意识意味着什么这个根本问题。
您是专门研究神经科学、认知科学或心理学的科学家吗？您是否阅读过最近发表的同行评审论文，并希望为“心灵 Matters”撰写相关文章？请将建议发送给《大众科学》的“心灵 Matters”编辑黛西·尤哈斯，邮箱为dyuhas@sciam.com。
这是一篇观点和分析文章，作者或作者表达的观点不一定代表《大众科学》的观点。