我们认为任何类型的外科手术，无论是拔除智齿还是更换心脏瓣膜，都应该是无痛的，并且不会留下任何不好的记忆，这是理所当然的。每年，全球数千万患者记得为手术做准备——然后就什么都不记得了，直到他们在恢复室醒来。这就是全身麻醉的神奇之处，它安全地击倒了生命中最宝贵的财富——意识体验，然后可靠地恢复它，没有任何持久的后果。当然，情况并非总是如此。直到19世纪中期发现一氧化二氮作为麻醉剂之前，手术还是一种极端和危险的最后手段，其效果充其量只能被鸦片或酒精减轻。
今天，麻醉师可以从各种令人惊讶的化学物质中进行选择，以分别和独立地消除疼痛（镇痛）、记忆（失忆）、活动能力和对切割、刮擦、钻孔或烧灼手术过程的反应，以及，从患者的角度来看最重要的，意识（意识丧失）。存在两种类型的麻醉剂：静脉注射剂，如巴比妥酸盐、丙泊酚和氯胺酮，它们被注射到血液中以快速诱导和维持麻醉；吸入性麻醉剂，如笑气（一氧化二氮）或挥发性液体的蒸气，包括异氟醚和七氟醚。
关于这些物质的分子作用，我们已经了解了很多。除了分离性氯胺酮（低剂量时被滥用为街头毒品，被称为维生素K或特殊K，此处不再进一步讨论）这个独特的例外，麻醉剂通过激活抑制性化学突触来加强神经元抑制，这些突触限制了与其连接的神经元中的活动，或者通过与膜蛋白结合来抑制神经元的电活动——以及因此它们传递信息和命令的能力。它们的净效应是降低整体脑活动。迄今为止进行的每一项功能性脑成像研究都证明了这一点。对于麻醉师来说，首选技术是正电子发射断层扫描（PET），其中少量放射性示踪剂被注射到受试者的血液中。比邻近区域活动更多或更少的脑区以相同的比例消耗代谢资源。这种代谢活动可以在PET设备中可靠地测量，尽管时间分辨率（秒的数量级）和空间分辨率（豌豆大小的数量级）都很粗糙。
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PET成像表明，基本上所有麻醉剂都以剂量依赖性方式降低全局脑代谢。麻醉剂剂量越多，负责促进觉醒的脑干区域以及新皮层和与其紧密相关的下方的丘脑的活动减少幅度就越大。新皮层是大脑皮层最近进化的部分，大脑皮层是构成众所周知的灰质的神经元折叠层。它占据了大部分前脑，是哺乳动物独有的标志。丘脑是位于大脑中间的鹌鹑蛋大小的结构，它调节所有进入新皮层的输入，并接收来自新皮层的大量反馈。
皮层关闭，意识关闭
意识丧失后大脑活动的这种显着减少几乎不足为奇。“没有大脑：别介意！”这句谚语表达了意识与这个器官之间的紧密联系。然而，神经科学家正在尝试追踪意识的足迹到它的实际巢穴。皮层、丘脑或其他哪个区域对于保持意识至关重要？考虑以下两个实验。
在法国马赛地中海大学蒂莫内大学医院中心的弗朗索瓦·古因领导的小组的监测下，25名帕金森病患者接受了丙泊酚或七氟醚麻醉，同时监测了皮层和丘脑的电活动。他们的新皮层通过放置在头部顶部的头皮上的常规脑电图（EEG）电极进行监测，而丘脑活动则通过植入大脑深处丘脑底核内的电极记录。该电极刺激大脑以减轻帕金森病标志性的震颤。实验人员通过拍打患者的肩膀并每隔20秒要求他们睁开眼睛来评估意识。
当麻醉开始后意识丧失时——也就是说，当患者不再按照指令睁开眼睛时——皮层脑电图发生了显著变化，从低振幅和不规则活动转变为以大约每秒一次发生的大而慢的脑电波为主的读数。这种所谓的δ波段活动是深度睡眠的特征。此外，当患者停止反应时，皮层脑电图信号的复杂性显着降低。在意识丧失时，丘脑电极中没有发生这些变化。
事实上，丘脑电压信号仅在几分钟后才与皮层相匹配。数据——对于两种截然不同的麻醉剂（一种注射，另一种吸入）都是一致的——表明意识丧失的驱动因素是新皮层的一部分（或全部），而丘脑是跟随者。
从遗忘中返回
在第二个实验中，由主要位于芬兰图尔库大学的小组进行，包括哈里·舍宁、雅科·W·朗斯约和迈克尔·T·阿尔基尔，20名志愿者被两种不同的物质——右美托咪定和丙泊酚（再次，以确保结果不依赖于任何一种特定的药物）麻醉。在注射放射性示踪剂后，受试者躺在PET扫描仪内。当患者恢复意识时——也就是说，当受试者可以再次睁开眼睛以响应持续的指令（尽管每五分钟只给一次）时，麻醉师测量了区域性脑血流量。
随后的统计分析指出，脑干中系统发育上更古老的区域（特别是蓝斑和臂旁区，其中包含去甲肾上腺素能神经元，这些神经元广泛投射到整个皮质丘脑复合体，并对大脑产生广泛的影响）。它们介导了行为反应（例如眨眼）发生所需的唤醒。随着意识的恢复，丘脑异常活跃，而皮层则显示出更加局限的反应，主要是在那些负责自我监控的额叶区域。
皮层和丘脑的联合激活似乎与之前的研究相矛盾，之前的研究表明皮层是驱动者，而丘脑是跟随者。然而，这两种技术（脑电图与PET成像）测量的是不同的信号（电压与血流量，血流量慢1000倍），再加上第一个研究每20秒检查一次患者是否清醒，而第二个研究仅每五分钟询问一次。
此外，尽管意识在麻醉期间时而清醒时而消退，但许多其他过程——大脑的整体唤醒水平、移动和记忆能力、疼痛和其他感觉的体验等等，每个过程都有其自身的神经元特征——也会发生变化，并混淆对意识来源的寻找。最后，正如启动计算机的操作顺序与关机时的操作顺序不同一样，伴随意识恢复的大脑事件不太可能与导致意识停止的大脑事件相同。
这两项示例性研究指出了揭开身心之谜的探索的困难，但也指出了进展。