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陈亚利 张军 上海，医院麻醉科（陈亚利、张军） 国际麻醉学与复苏杂志,,38(12):-. DOI：10./cma.j.issn.-..12. 基金项目：无 REVIEWARTICLES 意识包含觉醒和知晓两部分，全身麻醉药可导致患者可逆性地失去意识。人体大脑的复杂性使得麻醉药改变意识状态的机制至今仍无定论。从全脑角度，神经传递的中断及神经活动的抑制与全身麻醉导致的意识丧失密切相关。 大脑功能活动主要依赖于动作电位的产生及快速的化学突触传递，而该过程需要能量支持。因此，通过功能脑成像技术，如正电子发射型计算机断层显像、功能磁共振成像（functionalmagneticresonanceimaging,fMRI）、磁共振波谱（magneticresonancespectroscopy,MRS）等检测相关的能量消耗和神经化学信号来反映相关的神经活动，可以评价脑功能状态及意识水平。本文将从神经能量代谢及神经化学改变及其与意识间的相关性入手，对麻醉诱导意识丧失的机制进行综述。 1 脑代谢与意识 人脑质量仅占体重的2%，但却消耗循环中20%的氧气。高的能量代谢水平表明神经信息处理与高代谢率密切相关。从生理学角度讲，生物能对于清醒状态的维持是必不可少的。葡萄糖产生的ATP是机体支持脑电生理活动及细胞信号转导最直接的能量来源。清醒状态下，葡萄糖氧化代谢衍生而来的脑能量主要用于信号传递，其中突触传递是能量消耗最多的，能量缺乏数分钟即可导致突触传递障碍。当意识消失时，脑葡萄糖代谢率（cerebralglucosemetabolicrate,CMRglc）降低到正常的50%甚至更低。比如，植物状态/无反应觉醒综合征（vegetativestate/unresponsivewakefulnesssyndrome,VA/UWS）下CMRglc降低到正常值的40％~50%。脑损伤导致的意识障碍（disorderofconsciousness,DOC）也被认为与脑能量代谢的广泛下调相关。一些研究证实逐渐增加的意识水平与能量代谢率的梯度增加有密切联系，表明意识状态的转换与代谢水平的变化相关。当然，确定区分不同意识状态的最优代谢临界点及不同结构代谢活动与麻醉苏醒间的相关性，仍需进一步研究。 1.1 能量代谢与γ振荡 神经信息的整合需要大脑不同区域间的皮质活动相互协调，神经网络γ高频（30~Hz）振荡源于固有皮质活动，被认为是神经信息处理的细胞水平相关物，其在复杂脑功能（包括意识）中起重要作用。Kann认为，γ振荡与高能量需求相关，其产生需要氧化能量代谢的快速适应及氧和代谢底物的充分供应。离体实验表明，γ振荡的功率与线粒体氧耗的显著增加密切相关。 γ振荡对于线粒体内复合物I的抑制十分敏感。线粒体氧化磷酸化对于维持γ振荡中最大的放电频率非常重要。Whittaker等发现γ振荡对于线粒体呼吸链的受损同样敏感，且γ振荡功率的降低主要出现在快速放电的中间神经元。而不同功能的中间神经元有不同的代谢需求，因此上述中间神经元对于能量障碍可能有更高的敏感性。实验表明虽然γ振荡可以由其他底物如乳酸、丙酮酸及糖原提供能量，不过葡萄糖仍是最重要的能量来源。以上研究提示γ振荡有特别的能量需求，依赖于线粒体复合物I的表达、线粒体的功能完整及能量代谢底物。对于动物及人类，高级脑功能对于代谢应激更加敏感。近期实验发现与清醒状态相比，丙泊酚诱导的中度镇静下，脑磁图记录到视觉刺激诱发的γ活动有所增加。类似地，亚麻醉剂量的氯胺酮可增加人脑皮质中任务相关的γ活动。以上数据表明γ振荡可能是全身麻醉中意识状态的一个重要标记物。尽管fMRI/EEG技术已经证实神经代谢与有序的网络振荡间的相关性，然而γ振荡在全身麻醉诱导的网络功能异常及意识消失中的作用仍不明确。 1.2 神经能量与皮质功能连接性 动物实验表明，较高的神经脑氧代谢率与高频率的神经放电活动及广泛皮质连接性相关。当基础能量降低，神经放电频率转向低频，长距离皮质连接性降低。事实上，基于脑氧代谢率（cerebralmetabolicrateofoxygen,CMRO2）的功能连接图与血氧水平依赖信号存在相似，这有力地证明静息态fMRI检测到的自发振荡源于神经活动相关的脑代谢的动态改变。 正电子发射计算机断层显像（positronemissiontomography,PET）试验发现与健康志愿者相比，无意识患者额顶网络尤其是大脑默认网络（default-modenetwork,DMN）存在代谢降低；同时该网络中的代谢水平随着意识水平的增加而逐渐恢复。这可能是能量代谢率的提高促进了神经活动的恢复，有助于远距离皮质连接性的增加。另外，从微小意识状态（minimallyconsciousstate,MCS）中恢复的患者，网络间活动恢复而网络内活动部分受损，其能量代谢接近正常水平。而在严重脑外伤患者中，随着网络内部活动的进一步恢复，其DMN的功能连接性也进一步恢复。这些数据表明，能量代谢值是反映意识是否恢复的一个合适指标。多模式神经影像学研究表明，静息态人类大脑局部神经代谢活动（葡萄糖代谢）决定了功能连接性，进一步揭示了DMN中神经活动的动态变化与功能耦联的机制。 1.3 局部脑代谢和意识 研究发现，VS/UWS及MCS患者的某些特定脑区代谢明显降低，于是提出以下疑问：意识的代谢需求是全脑范围的还是局限于某些维持意识的必要脑区？这些特定的脑区可能包括脑干、一系列皮质结构（包括额顶网络及楔前叶），后者对于维持知晓有重要作用。例如，尽管不如皮质代谢降低的程度，MCS及VS/UWS患者脑干代谢降低到正常的60%~70%，这可能解释了上行网络激活系统受损的DOC患者中存在清醒-昏迷波动现象。 另外，MCS（不完全的低代谢，正常的60%）患者额顶区平均活动明显高于VS/UWS患者（双侧脑区完全低代谢，正常的42%）。而初级感觉运动区、额顶连接区及楔前叶将来自额顶区网络的传入信息进行整合，其代谢率可用于区分MCS及VS/UWS。因此楔前叶活动与额顶叶CMRglc更为接近。丘脑在意识机制中起基础作用，而降低的丘脑代谢并不能用于区分MCS及VS/UWS，表明它并不是DOC患者中区分意识程度的唯一重要指标。区分MCS与VS/UWS最重要的因素位于脑皮质，尤其是额顶区及楔前叶。DMN脑区代谢活动与意识水平相关，Rosazza等的最新研究表明，与MCS相比，VS/UWS患者脑DMN的代谢活动更低。 Meta分析结果表明DOC患者神经代谢活动的降低主要出现在与DMN功能相连接的中线结构。深度睡眠及全身麻醉下，额顶区同样出现明显的低代谢。不同麻醉药物导致的意识丧失均表现为CMRglc的降低，表明CMRglc的变化与意识消失相关，而非麻醉药物的直接作用。局部能量代谢与局部功能活动的关系更紧密、直接、特异性，因为神经信息的处理局限在相同功能的细胞组织。局部能量代谢的测定为脑功能活动提供更为特异性的标记物及更好的功能活动的空间定位。然而，在较大的脑网络中，局部代谢率的测定并不能区别小的功能差异，因此，局部代谢的测定并不能区分个体间的意识状态区别。 1.4 意识的神经化学特点 磁共振波谱是一种有效无创检测大脑神经递质或代谢物浓度的影像学方法，借助于该技术，神经递质在静息态网络活动中的作用正逐渐受到哪家白癜风能治好白癜风中药药方
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