丙泊酚，通常用于全身麻醉，破坏了大脑中稳定性和兴奋性之间的正常平衡。
在使患者失去意识方面，麻醉师拥有多种药物可供选择。理解这些药物如何导致意识丧失一直是一个长期的研究课题。现在，麻省理工学院的神经科学家们为一种普遍使用的麻醉药物提供了答案。
通过独特的神经元活动分析方法，研究人员发现丙泊酚通过干扰大脑稳定性和兴奋性之间的典型平衡来诱导失去意识。该药物导致大脑活动逐渐不稳定，直到意识丧失。
麻省理工学院皮考尔学习与记忆研究所的皮考尔神经科学教授厄尔·K·米勒解释说：“大脑必须在兴奋性和混乱之间维持一种微妙的平衡。它需要足够兴奋以使神经元相互影响，但又不能过于兴奋而陷入混乱。丙泊酚似乎破坏了保持大脑在这一微妙操作范围内的机制。”
这些将在Neuron上发表的新见解可能有助于开发改进的工具来监测患者在全身麻醉期间的情况。
米勒教授、伊拉·菲特和麻省理工学院研究生亚当·艾森以及博士后莱奥·科扎奇科夫共同发起了这项研究。
进入无意识的旅程
丙泊酚通过与大脑中的GABA受体结合来发挥作用，抑制这些受体的神经元。虽然其他麻醉药物针对不同类型的受体，但所有这些药物诱导失去意识的确切机制尚不完全理解。
米勒、菲特和他们的团队假设，丙泊酚，以及其他麻醉药物，干扰一种被称为“动态稳定”的大脑状态。在这种状态下，神经元表现出足够的兴奋性来响应新刺激，同时大脑迅速恢复控制，以防止过度兴奋。
过去关于麻醉药物如何影响这种平衡的研究结果相互矛盾：一些研究表明，在麻醉期间，大脑变得过于稳定和无反应，从而导致意识丧失，而另一些则表明，大脑过于兴奋，导致混乱状态以及随之而来的无意识。
挑战在于准确测量大脑中的动态稳定性。在意识逐渐减弱的过程中监测这种稳定性，将使研究人员能够确定无意识是由于过多还是过少的稳定性所造成。
在这项研究中，研究人员分析了动物在接受丙泊酚时不同大脑区域的电活动记录，逐渐失去意识。通过采用一种称为延迟嵌入的技术，该技术结合了当前测量与先前测量，研究人员能够更好地描述有限数据中的大脑动态。
在给药后，大脑在刺激后的恢复到正常状态所需的时间更长，保持在一种过度兴奋的状态。这种高度兴奋的状态加剧，直到动物进入无意识状态，表明丙泊酚对神经元活动的抑制导致不稳定性增加，从而致使无意识的发生。
增强麻醉管理
为了在计算模型中验证这一效果，研究人员创建了一个基本的神经网络。提高某些节点的抑制，模拟丙泊酚在大脑中的作用，导致网络不稳定化，类似于在接受丙泊酚的动物中观察到的不稳定活动。
亚当·艾森详细说明说：“当我们在一个简单的神经网络中调整抑制时，我们观察到了不稳定。因此，我们建议增强的抑制可能会诱导不稳定，最终导致意识丧失。”
正如菲特所澄清的，“这一反直觉的结果，是由于增强的抑制破坏了网络而不是使其安静或稳定，这归因于去抑制。丙泊酚对抑制驱动的增强抑制了其他抑制性神经元，导致大脑活动增加。”
研究人员怀疑，其他影响不同类型神经元和受体的麻醉药物可能通过不同的途径导致类似的结果，这是他们正在进一步探索的可能性。
如果得到证实，这可能会简化向更精确的麻醉控制系统的努力。这些系统是与埃默里·布朗合作开发的，旨在实时评估大脑动态并调整药物剂量。
厄尔·K·米勒强调，“通过识别不同麻醉剂间的共同机制，我们可以通过进行小幅调整来提高它们的安全性，而不是为每一种麻醉剂单独制定安全协议。为所有麻醉剂制定一个普遍的系统在手术室中会更有效。”
此外，研究人员计划将他们的动态稳定性测量技术应用于各种大脑状态，包括神经精神疾病。
伊拉·菲特表示：“这种方法具有潜力，我们期待将其扩展到不同的大脑状态、麻醉类型和各种神经精神状态，如抑郁症和精神分裂症。”
