《CNS Neuroscience & Therapeutics》：Neural Circuit Mechanisms of Disorders of Consciousness and Potential Therapeutic Targets of Brain Stimulation
摘要
背景：意识障碍（DoC）缺乏指导神经调控的综合框架。本综述更新了三个层级框架——上行网状激活系统（ARAS）、中环路（mesocircuit）和内在连接网络（ICNs），并绘制了各框架内的治疗靶点。
方法：研究人员综合了近期神经解剖学、光遗传学、神经影像学及临床试验证据，重新评估了经典框架，并提出层级整合策略以指导多靶点干预方案。
结果：确定了三项重大更新。在ARAS中，脑桥被盖网状核（PPN）/背外侧被盖核（LDT）及臂旁核（PBN）内的谷氨酸能神经元，而非胆碱能神经元，是主要的觉醒驱动因素；临床转化依赖于疗效不一的周围神经刺激。中环路假说从单向的苍白球内侧部（GPi）介导通路扩展为由多巴胺和腺苷调节的双向GPi–苍白球外侧部（GPe）平衡；靶向中央中核–束旁核复合体（CM-Pf）/中央外侧核（CL）的深部脑刺激（DBS）显示约44.7%的应答率（38/85），但缺乏随机对照试验（RCTs），而金刚烷胺仍是唯一的一级证据。在ICNs中，执行控制网络（ECN）获得最强的RCT支持，但疗效取决于病因和意识水平；突显网络（SN）刺激尚未得到验证。这些框架呈层级整合：ARAS维持觉醒，中环路实现皮层激活，ICNs支持意识内容。
结论：未来策略应采用基于个体化网络特征分析的多靶点、多层级方法。优先事项包括开展大规模DBS随机对照试验，以及基于病因和意识水平的分层治疗方案。
1 引言
意识障碍（DoC）是一种因创伤性或非创伤性脑损伤导致的意识和觉知水平及内容显著受损的病理状态。根据病程，DoC分为急性期和迁延期，迁延性病例通常定义为持续超过28天的意识障碍。迁延性意识障碍（pDoC）可进一步分为两种主要临床表型：植物状态/无反应觉醒综合征（VS/UWS）和最小意识状态（MCS）。
慢性DoC常见于重度创伤性脑损伤、缺氧性脑病和脑卒中等多种脑损伤，其临床病程长、恢复困难，严重影响患者生活质量，同时给家庭和社会带来沉重负担。近年来，随着意识理论框架的提出和完善，多个潜在的神经调控靶点相继涌现，现有神经调控研究也尝试针对不同层级进行干预，为DoC的治疗提供了新可能。
然而，当前刺激靶点高度异质，涵盖脑干、丘脑和皮层，反映出对意识神经基础缺乏共识。此外，现有综述往往局限于单一框架或技术。因此，本综述旨在：基于当前进展阐述并更新ARAS、中环路和ICN框架；并系统回顾各框架内现有及潜在的神经调控靶点。
2 上行网状激活系统
2.1 定义与解剖边界
ARAS是一个功能性概念，描述维持觉醒、促进睡眠–觉醒转换并支持意识所需觉醒成分的上行调节系统。其解剖边界随技术进步不断更新。
20世纪40–50年代，ARAS被视为脑干网状结构本身，包括接收感觉侧支的外侧柱和发出上行纤维的内侧柱。20世纪末，荧光组织化学和化学特异性研究揭示，散布于网状结构内外的化学特异性核团（胆碱能和单胺能）是ARAS的核心驱动因素。前者主要通过背侧通路投射至板内核，后者主要通过腹侧通路投射至下丘脑/基底前脑，从而诱导皮层激活。21世纪初，逆行标记和光遗传学证据补充表明，丘脑病变对觉醒影响有限，而臂旁核及邻近蓝斑前区投射至基底前脑的谷氨酸能神经元是觉醒的核心。
因此，尽管目前尚无统一公认的解剖边界，脑干网状结构、臂旁核（PBN）、蓝斑（LC）、结节乳头核（TMN）、腹侧被盖区（VTA）、脑桥被盖网状核（PPN）/背外侧被盖核（LDT）和背侧中缝核（DRN）均被视为参与觉醒维持的关键节点和ARAS的组成部分。
2.2 PPN/LDT
PPN/LDT因含高比例胆碱能神经元而被称为"胆碱能化学特异性核团"。早期电生理结合组织化学染色显示，PPN/LDT神经元在觉醒和快速眼动（REM）睡眠期间高频放电，放电位置与胆碱能神经元染色重叠，由此形成经典观点：PPN/LDT通过胆碱能机制促进觉醒。然而，近期光遗传学和化学遗传学研究表明，特异性激活PPN/LDT胆碱能神经元主要促进REM睡眠，对觉醒影响有限。相反，激活谷氨酸能神经元可诱导持续觉醒，提示其可能是PPN/LDT介导觉醒的主要驱动因素。迄今这些研究仅使用正常（而非DoC）动物模型。值得注意的是，双侧PPN靶向DBS仅在难治性癫痫中尝试过，这为DoC治疗提供了启发。
2.3 DRN
DRN含高比例5-羟色胺（5-HT）神经元，是ARAS的重要组成部分，电生理证据支持其活动与睡眠–觉醒状态密切相关。光遗传学研究表明，高频（20–25 Hz）DRN激活直接促进觉醒，而强直性低频（3–5 Hz）活动通过累积睡眠压力间接促进后续睡眠。然而，其促觉醒作用的因果证据主要来自正常/慢性疼痛模型，仅有一项麻醉小鼠研究。麻醉模型能否复现DoC患者的状态尚不清楚。
2.4 LC
LC是全脑去甲肾上腺素（NA）的主要来源。电生理和光遗传学研究均证实LC活动与觉醒水平密切相关，激活LC可驱动从睡眠到觉醒的转换。药理学方面，向LC局部给予α1-肾上腺素能受体激动剂甲氧明可促进觉醒。然而，迄今上述探索均基于正常模型而非DoC模型，且尚无针对该位点的临床神经调控或药物治疗。
2.5 TMN
TMN是脑内中枢组胺能系统的唯一来源。尽管电生理监测显示TMN在整个觉醒期间维持高频强直放电，为启动和维持觉醒提供基础张力，但近期化学遗传学结果显示激活TMN并不增加基线觉醒。此外，关于抑制TMN是否影响非快速眼动（NREM）睡眠存在分歧。值得注意的是，尽管机制尚不明确，组胺H3受体反向激动剂替洛利生（pitolisant）已获FDA批准用于发作性睡病治疗，这为DoC药物治疗提供了启发。
2.6 VTA
VTA是中脑多巴胺能输入的关键来源。光遗传学激活（25 Hz）可迅速将NREM/REM睡眠切换为觉醒，并使小鼠从全身麻醉中觉醒，而抑制VTA多巴胺能神经元即使在强刺激下也促进睡眠。尽管尚无针对DoC的VTA靶向神经调控，但包括左旋多巴、溴隐亭、金刚烷胺和莫达非尼在内的多种多巴胺能药物已进入DoC临床研究。然而，全身给药缺乏VTA特异性，也会影响黑质致密部（SNc）等其他多巴胺能区域。
2.7 PBN
PBN位于脑桥嘴背侧，主要由谷氨酸能神经元组成。在正常睡眠模型中，化学遗传学激活PBN神经元可诱导持续觉醒且无睡眠反弹，而光遗传学激活可触发即时觉醒，刺激停止后迅速逆转。此外，化学遗传学激活PBN神经元可缩短大鼠麻醉恢复时间。关于其上行通路，尽管PBN同时投射至背侧和腹侧通路，但仅激活背侧通路可诱导觉醒。迄今尚无针对PBN的DoC神经调控或药物治疗报道。
2.8 总结与临床进展
综上，由于ARAS节点位于脑干生命中枢附近，手术难度和风险较高。因此，无论现在还是将来，ARAS作为DBS靶点的成本效益均较低，尽管有研究曾采用DBS靶向中脑网状结构。
值得注意的是，脊髓电刺激（SCS）、迷走神经刺激（VNS）、正中神经刺激（MNS）和三叉神经刺激（TNS）的临床试验日益增多并取得了一些阳性结果。然而，与DBS不同，这些技术均无明确定义靶点，其觉醒机制仍无定论。因此，本综述未将其作为靶向神经调控方法纳入前述脑靶点部分，而仅简要总结其最高级别证据。
在SCS领域，一项近期非随机对照队列研究报告，短期SCS组在3个月随访时CRS-R评分改善显著更大，49%患者症状改善。在VNS领域，一项随机对照试验（RCT）显示经皮VNS（tVNS）前后两组CRS-R评分无显著差异，未得出阳性结论。在MNS领域，一项RCT显示右侧MNS显著提高伤后6个月意识恢复率并改善功能结局。在TNS领域，一项RCT显示TNS通过增强区域脑代谢促进pDoC患者意识恢复。
最后，从药理学角度看，单胺能神经递质的下游受体主要为G蛋白偶联受体，而烟碱型胆碱能受体和离子型谷氨酸受体为离子通道。相比之下，前者起效慢、持续时间长，主要发挥调节作用。因此，对于促觉醒药物，靶向后者可能更容易实现快速觉醒效果。
3 中环路假说
3.1 经典定义与解剖边界
Schiff提出的中环路假说以前额叶皮层–纹状体–苍白球–丘脑–皮层环路为核心。DoC源于弥漫性脑损伤损害皮层–纹状体和丘脑–纹状体兴奋性投射。这些输入的丧失，加上多巴胺能调节减弱，使纹状体中型多棘神经元（MSNs）无法达到激活阈值。这增强了苍白球内侧部（GPi）对丘脑的抑制，进一步削弱丘脑皮层投射，形成恶性循环。尽管该模型在GPe作用和丘脑核团功能分化方面仍需完善，但其基本框架可容纳新证据——尤其是板内核参与觉醒的发现。
板内核包括投射模式不同的前群和后群。前者包括中央外侧核（CL）、旁中央核（Pc）和中央内侧核（CeM）。后者包括中央中核（CM）和束旁核（Pf）。小清蛋白（PV）阳性CM核团特异性投射至纹状体，而钙结合蛋白（CB）阳性Pf和前板内核团弥散投射至前额叶皮层、纹状体及其他区域。它们共同确保丘脑和皮层对纹状体MSNs的双重驱动。以CM和Pf为例：CM内侧部主要靶向纹状体感觉运动区，而Pf亚区弥散投射至边缘和联合区域。在输出端，GPi感觉运动区投射回CM，而GPi联合和边缘区投射至Pf。这闭合了上述正反馈环路。
3.2 修订后的中环路假说
受运动直接/间接通路启发，GPe在中环路中的调节作用得到进一步阐明。证据表明，GPe通过两条独立通路促进睡眠并抑制皮层活动，而非简单复制运动间接通路。一方面，在皮层–纹状体–GPe–皮层通路中，GPe的γ-氨基丁酸（GABA）能神经元直接投射至皮层，尤其是前部GPe的PV阳性神经元。另一方面，在皮层–纹状体–GPe–丘脑网状核（TRN）–丘脑–皮层通路中，GPe投射至TRN，间接调节丘脑皮层信息流。
在健康个体中，GPi和GPe通路之间的切换由多巴胺和腺苷调节。在促觉醒方面，多巴胺起主导作用：一方面增强D1-MSN兴奋性以促进GPi介导的"直接通路"并促进皮层激活；另一方面抑制D2-MSN兴奋性，从而减少GPe异常激活，进而降低丘脑底核（STN）和皮层抑制性神经元活动，促进丘脑和皮层激活。当长时间觉醒导致细胞外腺苷积累至足够浓度时，腺苷与D2-MSN上的A2A受体结合，增强D2-MSN兴奋性，激活间接通路，最终促进睡眠。
在患者群体中，中环路水平病变导致DoC的常见原因包括D1-MSN兴奋性输入不足、GPe萎缩或GPe投射至皮层GABA能神经元/STN投射的功能障碍，以及腺苷（A2A）和多巴胺（D2）系统失衡。
3.3 临床转化与潜在治疗靶点
3.3.1 丘脑核团
早期DBS研究常靶向中央丘脑（CT），这是一个涵盖前、后板内核、背内侧核和部分腹侧核群的广义术语。然而，CT水平电极植入易共激活功能拮抗的核团，造成非特异性干扰，且3T MRI下精确定位困难，导致靶点误差高。因此，自20世纪90年代起，以Tsubokawa和Yamamoto为首的日本团队开创了后板内核CM-Pf复合体的精确定位。如今，CM-Pf是DoC-DBS最常见的靶点。汇总1990年至今的9项研究共85例患者，总体应答率约为44.7%（38/85）。然而，该靶点最高证据级别的试验设计为非随机前瞻性队列研究，缺乏大规模RCT仍是限制DBS应用的核心瓶颈。
在前板内核方面，Schiff对5例意识保留但认知障碍的患者进行了随机可行性研究，靶向双侧CL和内侧被盖束（DTTm）。连线测试B部分（TMT-B）处理速度较基线改善>10%，但这些发现能否推广至典型DoC人群需进一步验证。
为确定最佳板内核靶点，一项单中心、双盲、交叉研究（NCT07228286）正在进行中，旨在比较CL与CM-Pf在促进意识恢复方面的相对疗效。此外，CeM和腹外侧核（VL）等核团在动物研究中显示出促觉醒作用，但有待人体研究验证。
3.3.2 苍白球（GP）
GP在运动障碍领域积累了坚实的安全性数据，而在DoC领域，GPi靶向DBS仍处于非常早期的探索阶段。Hassler首次尝试同时刺激右侧基底苍白球和左侧丘脑极核，实现短暂意识改善，但19天后消退。Lemaire曾对5例患者进行双侧丘脑和苍白球刺激，显示CRS-R改善。然而，上述试验无法分离丘脑和苍白球的各自贡献，且病例系列设计限制了推广性。
至于GPe，由于其与GPi解剖相邻，电流扩散使功能分离困难。此外，GPe在运动间接通路中发挥不可替代的作用，其单独抑制可能诱发运动副作用。迄今尚无系统的动物或人体研究可供参考。
3.3.3 药理学调节
正电子发射断层扫描（PET）研究显示，部分创伤后MCS患者多巴胺能突触前终末存在显著多巴胺耗竭，耗竭程度与CRS-R评分呈负相关，为多巴胺靶向干预提供了神经生物学依据。溴隐亭和左旋多巴均已进入临床研究。溴隐亭可能通过激活D2-MSN减弱GPe介导的间接通路活性来促进觉醒，但证据仅限于病例报告和极小样本。左旋多巴可能直接补充SNc–纹状体通路的多巴胺缺乏，但仅在小型开放标签试验中探索。迄今为止，DoC唯一获得一级证据支持的药物干预是间接多巴胺能激动剂金刚烷胺，其已被纳入2018年DoC实践指南中成人创伤后DoC的B级推荐。然而，证据基础仅限于创伤病因，其对非创伤患者的适用性有待专项验证。
总体而言，DoC的DBS干预证据基础仍然薄弱，最高试验设计仅达OCEBM 2级，GRADE评级大多在低至极低范围。因此，DBS研究迫切需要标准化的患者纳入标准、统一的疗效评估体系和精细的亚组分析。在药理学调节领域，入组前使用多巴胺转运蛋白–单光子发射计算机断层扫描（DAT-SPECT）进行患者分层可能提高多巴胺能药物的应答率。同时，应继续探索新型靶向药物，如腺苷A2A受体拮抗剂。
4 内在连接网络（ICNs）
4.1 ICNs定义与三网络模型
内在连接网络（ICNs）是在静息状态下表现出稳定功能连接、在任务状态下仍可识别的大规模脑网络，包括默认模式网络（DMN）、突显网络（SN）、执行控制网络（ECN）、背侧或腹侧注意网络、感觉运动网络（SMN）等。在DoC研究领域，三网络模型将DMN、SN和ECN整合为统一框架，认为SN作为动态切换枢纽，通过调节ECN和DMN之间的激活平衡来协调内外信息处理，并认为这三个网络之间的功能失连接是DoC神经生理机制的核心基础。
4.2 默认模式网络
DMN以扣带后回（PCC）/楔前叶和内侧前额叶皮层（mPFC）为核心枢纽，连同背内侧前额叶子系统和内侧颞叶子系统，主要支持记忆、情绪和自我参照思维等内部认知。功能磁共振成像（fMRI）研究显示，DMN内部连接强度及其与反相关网络的连接强度与意识水平显著正相关，为靶向DMN核心节点的神经调控干预提供了理论基础。一项研究对11例pDoC患者应用靶向楔前叶的经颅直流电刺激（tDCS），前后自身对照结果显示9例患者CRS-R评分改善。然而，其疗效需更高质量研究进一步确认。
4.3 突显网络
SN的核心节点位于前岛叶（AI）和背侧前扣带皮层（dACC）。fMRI分析显示，与健康对照相比，VS患者SN内部同步性和自发神经活动显著降低，提示SN可能是潜在靶点。然而，迄今尚无针对该网络的神经调控治疗报道。
4.4 执行控制网络
ECN以背外侧前额叶皮层（DLPFC）和后顶叶皮层为核心节点，支持持续注意、工作记忆和复杂认知整合等高级功能。在DoC患者中，该网络通常表现出显著的功能连接降低，使其成为神经调控的重要靶点。迄今已积累大量靶向DLPFC和后顶叶皮层的非侵入性脑刺激研究。
如表1所示，DLPFC靶点研究最为丰富，涵盖重复经颅磁刺激（rTMS）和tDCS。在TMS方面，两项中等质量RCT靶向左侧DLPFC均显示不同程度的CRS-R改善。此外，两项靶向右侧DLPFC的研究也报告了CRS-R改善，但均为单中心、小样本或病例研究，证据级别较低。
在tDCS方面，Thibaut和Martial的两项中等质量RCT确立了左侧DLPFC tDCS的初步证据，均显示显著CRS-R改善。然而，一项多中心假对照RCT因总体组间无差异而提前终止。事后亚组分析显示，MCS和创伤病因患者在3个月时改善显著，提示疗效高度依赖病因和意识水平。
后顶叶皮层（PC）靶点研究也有充分记录。一项靶向中线顶叶皮层的tDCS研究和一项靶向左侧顶叶皮层的TMS研究均显示中等程度的CRS-R改善。
4.5 感觉运动网络
SMN以初级运动皮层（M1）、初级躯体感觉皮层（S1）、前运动皮层（PMC）和辅助运动区（SMA）为核心节点，通过皮层–基底节–丘脑–皮层环路和皮质脊髓束协调感觉整合和运动输出。值得注意的是，M1的调节作用不仅限于感觉运动环路本身——M1刺激可逆行激活丘脑皮层通路以增加全局皮层兴奋性，从而为"自下而上"促觉醒提供机制基础。这是靶向M1进行DoC神经调控的核心理论依据。
所有现有靶向M1的临床研究均采用rTMS，以20 Hz高频方案为主。然而，其临床疗效仍存疑问。一项交叉随机对照试验、一项假对照研究和一项RCT均显示CRS-R改善有限。同时，荟萃分析评估并比较了M1与DLPFC靶向rTMS的效应量。结果表明，尽管M1靶向的CRS-R改善效应量显著，但明显低于DLPFC靶向。在频率亚组分析中，仅20 Hz rTMS显示统计学显著效应，而10 Hz rTMS组未显示显著变化。
当前研究的主要局限在于，多数研究将各网络节点视为独立干预靶点，而意识的产生和维持依赖三网络的动态平衡，因此单一节点的孤立激活很难系统恢复全局耦合。未来应基于三网络模型开发跨网络、协同刺激方案。此外，必须应对高患者异质性，需要分层、多中心、大样本RCT以获得具有临床意义的靶点–人群匹配证据。最后，鉴于DoC患者网络破坏模式的异质性，应建立个体化网络映射框架以指导精准靶点选择。
5 结论
为解决临床实践中对意识障碍神经基础认识零散和陈旧的问题，本综述系统更新了三个理论框架——ARAS、中环路假说和ICNs——并绘制了各框架内现有和潜在的神经调控靶点。
ARAS作为层级组织的觉醒系统，通过背侧和腹侧通路上行传递信号以实现皮层激活。一个关键的理论进展是，通过光遗传学和化学遗传学方法鉴定出PPN/LDT等核团中的谷氨酸能而非胆碱能神经元是觉醒的主要驱动因素，提示离子型神经递质系统是主要药理学靶点。鉴于ARAS核团邻近脑干生命中枢，当前干预主要依赖药物和间接周围神经刺激，包括SCS、VNS、MNS、TNS，其机制和精确靶点仍未完全阐明。
更新后的中环路假说超越了单向GPi介导的促觉醒通路，扩展为由GPi和GPe共同调节、通过多巴胺能和腺苷能动态调节维持的双向觉醒–睡眠平衡。DBS仍是该层级的主要手段，丘脑靶点从宽泛的"中央丘脑"逐步细化为CM-Pf和CL等具体核团，而直接靶向GPi的干预仍较少。多巴胺能药物治疗也主要在该层级发挥作用。
在ICNs中，DMN楔前叶的神经调控仍处于探索阶段，仅获得低质量非对照研究支持。SN作为三网络模型中的关键切换枢纽，缺乏任何直接靶向AI或dACC的刺激研究，这代表了神经影像学证据与临床转化之间的显著空白。ECN靶点——DLPFC和PPC——迄今积累了最强和最广泛的RCT证据，但受限于小样本、高参数异质性和缺乏长期随访数据。SMN靶点M1研究历史最长，但证据质量低且不一致，其主要价值可能在于自下而上的丘脑皮层促觉醒作用，而非直接恢复意识内容的整合。
至关重要的是，这三个框架并非平行关系，而是层级整合的。完整的ARAS功能建立前额叶皮层和丘脑的基线兴奋性，实现觉醒和睡眠–觉醒循环。在此基础之上，中环路假说中的纹状体MSNs可突破激活阈值，去抑制丘脑输出，驱动目标导向行为所依赖的广泛皮层激活。只有在持续皮层激活的条件下，ICNs才能高效运行，支持动态网络间切换，实现功能性任务表现。这一层级逻辑不仅应指导DoC的机制理解，也应为基于个体化网络损伤映射的多靶点、多层级神经调控策略设计提供依据。
