丘脑核团差异性调控意识状态：在麻醉、睡眠与意识障碍中的神经机制

《Communications Biology》：Differential engagement of thalamic nuclei orchestrates consciousness states across anesthesia, sleep, and disorders of consciousness

本研究针对不同意识状态下丘脑核团功能机制不清的问题，通过分析fMRI数据，系统揭示了丘脑-皮层功能连接、局部信号波动（复杂性/变异性）及其耦合关系在意识调控中的特异性模式。研究发现，丙泊酚麻醉主要影响丘脑枕核（Pul）-皮层连接，睡眠转换涉及腹后外侧核（VPL）、内侧膝状体（MGN）和中央中核（CM），而意识障碍（DoC）患者则出现广泛连接中断。五个关键核团（VLp、VPL、Pul、CM、MD）表现出状态特异性改变，为意识障碍的神经调控提供了潜在靶点。

　　

意识，这个让我们感知自我与世界的神秘现象，其本质一直是神经科学领域的核心谜题。从日常的清醒状态到深度睡眠，从全身麻醉到因脑损伤导致的意识障碍，人类意识在各种生理、药理和病理条件下呈现出丰富的变化谱系。这些状态的变化主要涉及两个关键维度：觉醒水平（arousal）和意识内容（awareness）。例如，全身麻醉时两者均显著抑制；最小意识状态（MCS）患者保有部分意识内容但觉醒水平较高；而无反应觉醒综合征（UWS）患者则表现为高觉醒下的极低意识内容；非快速眼动（NREM）睡眠则处于中等觉醒和意识内容水平。

尽管研究表明丘脑作为连接皮层与皮层下结构的中枢，在意识调节中扮演着关键角色，但将其视为一个均质结构的研究可能掩盖了内部不同核团的功能特异性。不同意识状态的变化是否与特定丘脑核团的功能改变相关？这些核团又是通过怎样的机制调控意识？这些问题仍有待深入探索。

在这项发表于《Communications Biology》的研究中，卢法等人通过分析来自全身麻醉（丙泊酚和七氟醚）、意识障碍（MCS和UWS）以及睡眠（清醒、NREM1和NREM2）三种状态的功能磁共振成像（fMRI）数据，从丘脑-皮层功能连接、局部血氧水平依赖（BOLD）信号波动（复杂性和变异性）以及两者耦合关系三个层面，系统揭示了丘脑核团在意识状态转换中的特异性作用。

研究团队采用标准化的fMRI预处理流程，基于高分辨率丘脑图谱提取了11个丘脑核团的BOLD信号时间序列，并计算了这些核团与114个皮层感兴趣区（ROI）的功能连接强度。同时，他们使用样本熵（sample entropy）量化BOLD信号复杂性，滚动标准差（rolling SD）评估信号变异性，并通过Spearman等级相关分析探究局部波动与平均连接强度之间的耦合关系。

丘脑-皮层功能连接在不同意识状态下的变化

研究发现，不同意识状态呈现出独特的丘脑-皮层功能连接中断模式。丙泊酚麻醉主要破坏了丘脑枕核（Pul）和内侧膝状体（MGN）与皮层的连接，而七氟醚麻醉未引起显著改变。在意识障碍患者中，MCS和UWS组均显示出腹外侧后核（VLp）、Pul和背内侧核（MD）与皮层连接的减弱，且MCS患者的变化更为广泛。睡眠分析表明，从清醒到NREM2期的转换伴随着VPL、MGN、CM和Pul核连接强度的显著降低。

从皮层网络视角看，显著变化主要集中在默认模式网络（DMN）和额顶网络（FPN）。这些发现表明，意识水平降低与丘脑作为多网络枢纽的整合功能崩溃密切相关，而Pul核在药理和病理意识改变中作用突出，VPL、CM核和MGN则主要调节睡眠相关的生理性变化。

通过复杂性和变异性特征识别意识相关丘脑核团

对BOLD信号特征的分析显示，意识状态降低伴随着多个丘脑核团复杂性和变异性的普遍下降。丙泊酚麻醉显著降低了腹前核（VA）、VLp、Pul、外侧膝状体（LGN）和MD核的样本熵；七氟醚麻醉则影响VLp、VPL、Pul、CM、MD和缰核（Hb）。意识障碍患者中，Pul、MGN、CM和MD核的复杂性以及VPL、Pul、MGN、CM和MD核的变异性均显著改变。睡眠阶段未发现显著变化。

整合分析识别出五个关键核团：两个一级核团（VLp、VPL）和三个高级核团（Pul、CM、MD）。高级核团在所有意识状态中表现出一致性改变，提示其在意识调控中的核心作用。

局部丘脑活动与皮层连接之间的耦合

研究发现，局部波动与丘脑-皮层功能连接的耦合关系呈现状态特异性模式。丙泊酚麻醉下，清醒时VPL核和MGN存在的正相关消失，而CM核转为显著负相关。UWS患者中，VA核的样本熵与连接强度呈现特异性正耦合，而MGN在对照组中的正相关在MCS和UWS患者中消失。NREM1睡眠期，Hb核的样本熵与连接强度呈负相关，MGN的滚动标准差则保持正耦合。

这些耦合关系的变化可能反映了意识状态改变时丘脑核团在信息整合中的功能重组：正相关可能表明局部神经活动增强与更强的皮层整合相关，支持意识维持；负相关则可能暗示资源竞争或代偿机制。

研究结论与意义

该研究建立了丘脑参与意识调节的层次框架：不同意识状态表现出特征性的丘脑-皮层断开模式；五个关键丘脑核团（VLp、VPL、Pul、CM、MD）在BOLD信号动力学上呈现显著改变；局部活动与全局连接之间的核团特异性耦合随意识状态系统变化。

这些发现不仅深化了对意识神经机制的理解，更具重要的临床意义。丙泊酚和七氟醚麻醉机制的差异为临床麻醉选择提供了神经生物学依据；意识障碍中特异性改变的核团（如CM核）为深部脑刺激（DBS）治疗提供了潜在靶点。研究首次在核团水平系统揭示了丘脑在药理、病理和生理性意识状态转换中的差异性参与，为未来开发意识障碍的精准调控策略奠定了理论基础。

关键技术方法

研究分析了三个独立数据集：全身麻醉数据集（丙泊酚和七氟醚各12例）、意识障碍数据集（MCS和UWS各9例）及睡眠数据集（清醒31例、NREM1 24例、NREM2 19例）。采用fMRIPrep进行标准化预处理，基于高分辨率丘脑图谱提取11个核团BOLD信号。计算丘脑-皮层功能连接（Pearson相关）、样本熵（复杂度）和滚动标准差（变异性），并使用网络基础统计（NBS）和Spearman相关进行统计分析。通过支持向量机（SVM）评估核团特征对意识状态的分类效能。