医生如何窥探植物人患者的内心世界

我对无反应患者意识的探索可以追溯到 1997 年，当时我遇到了凯特，一位来自英国剑桥的年轻教师，她因类似流感的疾病而陷入昏迷。几周内，凯特的医生宣布她处于植物状态——这意味着虽然她有睡眠-觉醒周期，但她缺乏意识。她的眼睛会睁开和闭上，她似乎会短暂地环顾病房，但她没有表现出内在生命的迹象，也没有对家人或医生的提示做出反应。

当时我正在剑桥大学开发新的脑部扫描方法，我在那里的同事、急性脑损伤专家大卫·梅农建议我们将凯特放入正电子发射断层扫描 (PET) 扫描仪中，看看我们是否可以检测到她大脑中的任何认知活动迹象。这是一个大胆的尝试，但我们怀疑我们的一些新脑成像方法可能有效。当凯特在机器里时，我们通过在电脑屏幕上闪烁她的朋友和家人的照片给她看，并寻找她大脑的任何反应迹象。结果非常惊人。她的脑部不仅对这些面孔做出了反应，而且脑部活动的模式与我们和其他人在向健康、有意识的个体展示亲人面孔时看到的情况非常相似。

这意味着什么？凯特实际上是有意识的，尽管她外表看起来并非如此，还是这只是一种反射性反应？我们需要 10 多年的研究和改进的方法论才能知道如何回答这些问题。

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寻找答案变得越来越紧迫。近年来，创伤护理、路边急救和重症监护的进步导致更多人在遭受严重脑损伤后幸存下来，并像凯特一样——活着但没有意识保留的证据。在几乎每个拥有熟练护理机构的城市和城镇都可以找到这样的患者。确定他们的护理和治疗——给予多少生命支持，如何权衡家人的意愿和患者的预先指示（如果存在）——是一个棘手的伦理难题，涉及痛苦，有时甚至涉及诉讼。这些患者中的一些人会继续康复到一定程度，尽管很难预测哪些人会康复以及康复程度如何。另一些人则进入最小意识状态，表现出不一致但可重复的意识迹象。还有一些人则保持植物状态，有时会持续到生命的尽头——这可能持续数十年。能够区分这些状态对于确定哪些决定最符合患者的最佳利益至关重要。

想象一下打网球

在凯特扫描后的几年里，我们在剑桥的团队尝试了许多方法来检测被宣布为植物人的患者的隐藏意识——我们称之为隐蔽意识。我们为他们播放了言语——冗长的口语散文——并将他们大脑中的反应与我们播放不包含真实语言的类言语噪音时的反应进行了比较。在许多案例中，我们观察到假定的植物人患者的脑部活动看起来像健康参与者的脑部活动——当我们向他们播放言语时，大脑的言语感知区域通常会做出反应，但当我们向他们播放类言语噪音时则不会做出反应。然而，和以前一样，我们不确定看似正常的脑部反应是否反映了未被发现的意识，或者它们是否更基本、更自动化的神经信号，在很大程度上独立于任何更高级别的意识处理。

我与梅农、神经科学家马特·戴维斯以及剑桥大学的其他人员进行了一项关键的后续实验。我们决定给一组健康的参与者——在本例中是一组麻醉师——镇静，并将他们暴露于我们已经证明可以引发一些植物人患者正常脑部活动模式的言语和非言语声音的相同组合。令人惊讶的是，当这些健康受试者被短效麻醉剂异丙酚麻醉失去意识时，大脑的言语感知区域的激活程度与参与者完全清醒时一样强烈。这一关键证据向我们表明，植物人患者对言语的“正常”脑部反应并不是隐蔽意识的可靠指标。似乎大脑会自动处理言语，即使我们没有意识并且不知道我们正在这样做。

是时候回到绘图板了。我们必须以不同的方式看待隐蔽意识的问题。真正的问题不是我们如何激活这些患者的大脑，而是我们必须观察到什么样的活动才能确信患者是有意识的。我们从经典的意识临床评估中找到了答案：对命令的反应。这就是在电视医疗剧中经常描绘的熟悉的“如果你能听到我，就握住我的手”测试。当然，我们的患者受伤太重，无法对命令做出身体反应，但他们能否通过思考来产生可测量的脑部反应？

我们与当时在比利时列日大学史蒂文·劳雷斯实验室的神经学家梅兰妮·博利合作，着手测量健康参与者想象做各种任务时的脑部活动，范围从唱圣诞颂歌到在他们家中从一个房间走到另一个房间，再到玩一场激烈的网球比赛。对于许多这样的场景，心理上执行任务会产生稳健可靠的脑部活动模式，类似于实际执行任务。

使用功能性磁共振成像（fMRI），与 PET 不同，它不需要注射示踪化学物质，我们发现最好的两项任务是玩想象中的网球比赛和在脑海中在家中从一个房间走到另一个房间。事实上，在我们扫描的每一位健康参与者中，网球任务都在前运动皮层（一个在大脑运动计划中起作用的区域）引发了强烈的功能性 MRI 活动。另一方面，在脑海中游览自己的家会激活顶叶和一个名为海马旁回的深层大脑区域，这两个区域都参与表示和导航空间位置。就像电视医生告诉病人“如果你能听到我，就握住我的手”一样，我们发现我们可以通过要求志愿者“如果你能听到我，就想象一下打网球”来引发对命令的可靠反应，这可以通过 fMRI 看到。

令我们惊讶的是，当我们第一次对一位看似植物人的患者尝试这种技术时，它就奏效了。这位年轻女性作为行人卷入了一起复杂的交通事故，并遭受了相当严重的创伤性脑损伤。在接受 fMRI 扫描前，她完全没有反应达五个月，并且符合所有国际公认的植物状态诊断标准。在扫描过程中，我们指示她重复并按给定顺序执行两项心理意象任务。值得注意的是，每当要求她想象打网球时，前运动皮层就会出现明显的脑部活动，就像我们之前扫描过的健康志愿者一样。当要求她想象在自己的家中行走时，我们观察到顶叶和海马旁回也出现了明显的活动，同样，也像健康志愿者一样。在此基础上，我们得出结论，尽管该患者无法对外部输入做出身体反应，但她是有意识的。这一发现改变了其他人对待她的方式，包括医生、护士和她的家人。根据我的经验，发现患者有意识通常会促使其他人进行交流、探望、回忆、开玩笑，并以其他方式提高患者的生活质量。

测试我们的方法

在接下来的几年里，我们尽可能多地对患者尝试这项技术，以测试其可靠性并寻求改进方法。到 2010 年，在与劳雷斯及其在列日的研究小组的另一次合作中，我们在《新英格兰医学杂志》上报道说，在 23 名被诊断为植物人的患者中，有 4 名（17%）能够在 fMRI 扫描仪中产生令人信服的反应。作为研究的一部分，我们探索了使用成像任务让患者回答是或否问题的可能性。其中一位患者在五年前遭受了创伤性脑损伤，并被反复诊断为植物人。在 fMRI 机器中，他被告知将询问他一系列简单的问题，他应该通过想象打网球（表示“是”）或想象在他家中的房间之间移动（表示“否”）来回答。令人难以置信的是，使用这种技术，他能够成功地传达五个关于他生活的问题的答案。例如，他能够表明“是”，他有兄弟，“否”，他没有姐妹，“是”，他父亲的名字是亚历山大。（此处更改姓名以保护隐私。）他还确认了他在受伤前最后一次去度假的地方。解释扫描结果为“是”或“否”的研究人员不知道这些问题的答案，这些问题是根据家人的输入构建的。

点击或轻触放大

鉴于所用任务的复杂性，显然该患者的认知活动不仅仅是对周围环境的意识。他保留了许多更高级别的功能：他可以切换、维持和选择他的注意力焦点，理解语言并选择适当的反应，在工作记忆中维护和操作信息——例如，在处理每个新问题时记住回答“是”或“否”的指令——并回忆起事故发生前的事件。尽管这位患者可以可靠有效地在扫描仪内与我们“交流”，但在床边没有人能够建立任何形式的交流。尽管如此，在 fMRI 分析完成后，使用标准技术进行的彻底重新测试使医生将他的评估更改为“最小意识状态”——这提醒人们，对于这些患者来说，诊断可能是不确定且可变的。

2011 年 1 月，我将我的整个研究小组搬到安大略省的西安大略大学，以便利用更好的资源、更大的团队和加拿大卓越研究主席项目的慷慨资助来解决这个问题。这次搬迁使我们能够扩展和改进我们的调查，以解决许多关键问题，包括我们是否可以使用我们的技术来改善患者护理。对于一位已被诊断为植物人 12 年的年轻人，我们能够问一个可能改变他生活的问题：“你感到疼痛吗？”在一个戏剧性的时刻，BBC 纪录片摄制组为电视捕捉到了这一刻，他回答说：“不”，这让我们松了一口气。

另一个问题更具技术性。我们能否找到一种不需要 fMRI 扫描仪的测试？对严重脑损伤患者进行 fMRI 非常具有挑战性。除了成本和扫描仪可用性的考虑之外，患者在被转移（通常通过救护车）到配备 fMRI 设备的机构时，身体压力可能很大。有些患者无法在扫描仪中保持静止，而金属植入物（包括钢板和钢钉，这在严重损伤后很常见）可能会完全排除 fMRI。

我们最近的努力集中在构建一种成本更低、更便携的方式来使用脑电图评估脑部活动。脑电图依赖于连接到头皮的无创电极，并测量皮层（大脑深层褶皱的外层）中神经元群的活动。它不受金属植入物的影响，也许最重要的是，可以在床边完成。不幸的是，脑电图不容易检测到非常深层的大脑结构的变化，并且其空间分辨率——其检测特定大脑区域清晰反应的能力——远低于 fMRI 的情况。为了应对这些局限性，我们调整了我们的心理意象任务，以在皮层表面产生活动，该区域控制手臂和腿部的简单运动。现在在英国伯明翰大学的达米安·克鲁斯发现，如果他要求健康参与者想象握紧右手或脚趾，他可以根据生成的脑电图模式检测到差异。它并非对每个人都有效，但到 2011 年，它已足够可靠，我们可以开始在患者床边进行测试。

我们买了一辆吉普车（“EE吉普车”），配备了电极、放大器和我们能找到的最强大的笔记本电脑，然后我们就上路了，将我们的设备带给患者。2011 年 11 月，我们在《柳叶刀》上报告了我们的发现。它们与我们使用 fMRI 的结果相似：在我们使用床边脑电图测试的 16 名“植物人”患者中，有 3 名（19%）似乎是有意识的，这基于他们对想象挤压脚趾或手的命令的反应。并非所有人都对这项研究信服。脑电图分析非常复杂，我们使用的统计算法足够新颖和复杂，以至于受到了另一个研究小组的质疑。

幸运的是，我们能够通过使用我们更成熟的 fMRI 技术来证实大多数在脑电图研究中反应良好的患者的意识。最近，我的团队一直在开发另一种称为时间分辨功能性近红外光谱 (fNIRS) 的便携式技术，该技术可以通过测量大脑中氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度的变化来检测患者的区域性脑部活动。当要求参与者想象打网球时，结果与使用 fMRI 获得的结果相当。这项新技术可以在床边使用，并且比 fMRI 便宜得多。

未来展望

我们接下来该何去何从？仅凭思考就能进行交流的想法困扰了科学家和科幻小说作家几十年。使用 fMRI、脑电图和 fNIRS 检测意识并开始与一些原本无反应的患者进行交流，为开发真正的脑机接口铺平了道路，这些接口可以将患者的想法传递给外界。似乎越来越有可能的是，当这些设备可用时，它们将通过将特定想法转换为“是”、“否”以及其他概念来工作。然而，为遭受严重脑损伤的个体创建系统并非易事。此类患者很少能控制他们的眼球运动，这排除了依赖眨眼或引导目光的界面，而且他们耗尽的认知资源（脑损伤的常见结果）可能会排除任何需要大量培训的系统，就像当前的系统一样。

至于凯特，发生了一件非凡的事情。与我多年来见过的数百名植物人患者不同，她在扫描后几个月开始康复。她现在住在自己的家中，但仍然需要 24 小时的帮助。她使用轮椅四处走动，并且已经学会重新说话。她的认知能力已经恢复，包括她的幽默感和欣赏她在科学发现过程中所扮演的深刻角色——以及她的大脑。虽然凯特在刚完全清醒时并不记得自己的脑部扫描，但她后来对这种扫描的重要性充满热情。“我害怕想到如果我没有做扫描会发生什么，”她在 2014 年给我的一封电子邮件中写道。“所以请用我的案例来向人们展示它们有多好。我希望更多的人了解它们。这就像魔法——它找到了我。”

迷失在灰色地带

意识似乎是一件要么全有要么全无的事情——要么灯亮着，要么灯熄灭了。但事实上，它可以以程度存在。意识受损的情况被称为意识障碍（此处列出）。最常见的情况是头部外伤或事件，例如中风或心脏骤停，导致大脑缺氧：缺氧的后果往往比外伤更糟。患者可能会从一种类别进展或退回到另一种类别，脑死亡除外，脑死亡无法恢复。

脑死亡：大脑和脑干的所有功能都已永久停止。

昏迷：意识完全丧失；睡眠和觉醒周期消失，眼睛保持闭合。昏迷很少持续超过两到四周，通常是暂时的；之后，患者会恢复意识或进入以下状态之一。

植物状态：睡眠-觉醒周期发生，眼睛可能会自发睁开或在刺激下睁开，但显示的唯一行为往往是反射性的。著名案例：特里·夏沃、凯伦·安·昆兰。

最小意识状态：患者可能看起来像植物人，但有时会表现出意识迹象，例如伸手去拿物体、听从命令或对环境做出反应。著名案例：特里·沃利斯，他在 19 年后恢复了意识。

闭锁综合征：从技术上讲，这种状态不是意识障碍，因为患者完全有意识；然而，他们无法移动，可能会被错误地认为是植物人或最小意识状态。许多患者确实保留了眨眼和移动眼睛的能力。著名案例：让-多米尼克·鲍比，他通过眨动左眼口述了一部回忆录。