Neuron | 丘脑中央外侧核通过调控特定皮层参与睡眠和麻醉的意识消失

作者 | ZDH

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前言

意识形成的神经生物学基础是最重要的科学问题之一。在已有的功能磁共振及电生理研究提示，意识依赖于大规模的丘脑-皮层（Thalamocortical）以及皮层-皮层（Corticocortical）之间的核团联系，这也是目前比较公认的意识生物学机制。

然而，当意识改变时，各个脑区核团内部，或者微环路的神经元兴奋性如何变化并不清楚。已有的研究中，无论是从理论上，还是直接的实验数据及临床证据来看，丘脑中央外侧核（Central lateral thalamus，CL）在意识维持过程中具有关键作用。

早在20年前就有很多研究发现，丘脑中央外侧核通过选择性调控皮层纵向不同层面之间以及不同皮层区域之间的相互作用，从而在前脑觉醒及控制皮层-皮层之间的交流方面发挥重要作用。但是，尚无在体实验直接证实丘脑-皮层投射是如何特异性调控不同皮层层面（Layer）来影响意识的。

2020年4月在Neuron发表了题为《Thalamus Modulates Consciousness via Layer-Specific Control of Cortex》的研究，就提供了相关的直接证据。有意思的是，本文所研究的意识就包括了睡眠和麻醉等，这也是我们一直强调的：研究麻醉药物作用机制是研究意识本身的一个重要手段，这也是研究麻醉机制具有普遍意义的一种典型例子。

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实验方法和结果

首先，作者发现刺激丘脑中央外侧核可以将猕猴从麻醉状态（Isoflurane, Propofol）中唤醒（增加意识水平），并且该刺激具有频率（50 Hz）和位置（越靠近丘脑中央外侧核中心，效果越好）依赖性（图1）。

图1：Gamma频率的丘脑中央外侧核刺激可以增加意识水平。A. 50-Hz刺激时的行为和神经记录。B. 刺激CL前、中、后的平均觉醒评分。C-D. 电极植入位点。E. 刺激位点。F. 距离CL中心不同距离的刺激引起的觉醒改变。G. 丙泊酚和异氟烷麻醉下不同频率的刺激引起的觉醒改变。H. 在有效位点和无效位点，不同频率的刺激引起的觉醒改变。

接着，为了研究皮层-皮层和丘脑-皮层通路在NCC （Neural correlates of consciousness）的具体作用，作者使用linear multi-electrode arrays来同时记录觉醒、睡眠以及麻醉状态下猕猴的右侧额叶视区（FEF）、侧顶叶区（LIP）以及丘脑中央外侧核的神经元放电和局部场电位（LFPs）（此方法具有创新性）。结果发现（图2），与觉醒状态相比，麻醉与睡眠状态下的丘脑中央外侧核神经元的放电频率（spike rate）较低，爆发性活动（Bursting activity）较高。

作者进一步将皮层神经元分为表层、中间层及深层，发现只有深层神经元的活动与意识状态相关。类似的，与觉醒状态相比，睡眠与麻醉状态下的FEF和LIP神经元的放电频率较低，爆发性活动较高。但是，在麻醉状态下，只有深层神经元的爆发性活动增加。而且，通过丘脑50-Hz的刺激可抵消LIP深层皮质的麻醉效应。这些结果提示，意识水平与皮质深层和丘脑神经元的活动相关，这可能在NCC（Neural correlates of consciousness）发挥重要作用。

图2： 意识水平与丘脑中央外侧核及深层皮质神经元的活动有关。A. 在FEF，linear multi-electrode array产生的声线诱发电位(sound-aligned evoked potentials)示意图。B. 与A相对应的iCSD(inverse Current Source Density)。C-D. 麻醉、睡眠及觉醒状态下的CL放电频率及爆发性活动。E. 麻醉与觉醒状态下，皮质 (FEF和LIP)表、中及深层的爆发性活动。F-H. 不同意识状态下，FEF和LIP表、中、深层的放电频率。I-K. 有效刺激（SE）、无效刺激（SI）及刺激前（P）条件下，FEF和LIP表、中、深层的放电频率。

为了研究丘脑-皮层及皮层-皮层之间的联系在意识水平改变时的变化，作者比较了不同意识水平下Coherence（相干性，基于LFPs计算得出）的变化。结果发现（图3），觉醒与睡眠之间的Coherence变化很明显。麻醉可以增加delta频率 (<4 Hz)的Coherence，降低alpha 频率(8–15 Hz) 和 gamma 频率(30–60 Hz)的Coherence。

觉醒-麻醉的Coherence差异在FEF 和 LIP 不同层之间是一致的; 值得注意的是，麻醉状态下，两个区域的表层与深层皮层之间所有高频 (>4 Hz) 交流的Coherence明显降低，这可以提示皮层内微环路信息加工可能发生了改变。

而且，50-Hz的丘脑中央外侧核有效刺激（觉醒评分≥3）会增加频谱与皮层之间Coherence的差异性。在gamma频率下，与无效刺激（觉醒评分＜3）相比，有效刺激会增加表皮层内的Coherence。提示刺激与有效性之间有明显的相互作用。在深皮层，类似的相互作用显示，有效的刺激会选择性增加theta和alpha的频率。以上结果提示，NCC（Neural correlates of consciousness）可能具有皮层不同层面特异性。

图3： NCC具有皮层特异性。A-B. FEF与LIP在觉醒与麻醉状态下的相干性（Coherence）。C-H. 觉醒与麻醉状态下的相干性差异。灰色部分代表效应与不同意识状态（觉醒与麻醉）与丘脑刺激（无效与有效）下的结果一致。I-J. 麻醉条件下，FEF和LIP有效刺激前与有效刺激时的Coherence。K-P. 有效刺激与无效刺激的Coherence差异。FEF表层之间（K）、表层与中层之间（M）、深层（O）。LIP表层之间（L）、表层与中层之间（N）、深层（P）。

最后，作者从解剖学的关系上研究额顶皮质之间的相互作用。作者测量了前反馈 (LIP表层- FEF表层和中间层) 与两个负反馈 (FEF深层- LIP表层或FEF深层-LIP深层) 的始末两端的Coherence以及不同状态下丘脑-皮层Coherence的变化。结果发现（图4），在麻醉状态下，皮层区域之间的交流明显改变。在前反馈和负反馈通路，皮层-皮层之间的Coherence在delta频率下增加，在所有更高的频率下降低。而且，在麻醉下，丘脑与皮层表层或皮质深层之间的Coherence在所有频率都降低。这些结果提示麻醉可能会降低宽频丘脑-皮层及皮层-皮层之间的Coherence。

该研究进一步分析发现，刺激丘脑可使对意识有重要作用的皮层区域之间的特异性联系分离。在刺激丘脑中央外侧核时，LIP表层与FEF表层及中层的Coherence在delta频率带明显降低，在alpha频率、低gamma频率及高 gamma频率下增高，而且这些效应在有效刺激下比无效刺激更为明显，存在明显的相互作用。FEF的深层与LIP表层在alpha频率的Coherence明显增加，存在明显的相互作用。

总而言之，在较高的意识水平下，前反馈通路增加的alpha频率和gamma 频率的Coherence以及负反馈通路增加的alpha频率 Coherence起源于深皮层，终止与表层。

图4: 丘脑-皮层及皮层-皮层之间相互作用提示NCC具有通路特异性。A. 麻醉与觉醒状态下，FEF和LIP之间的Coherence。灰色线条表示频谱之间的明显差异。B-D. 麻醉与觉醒之间的Coherence差异。灰色部分代表效应与不同意识状态（觉醒与麻醉）与丘脑刺激（无效与有效）下的结果一致。E. 有效刺激前与有效刺激时，FEF和LIP之间的Coherence。F-H. 有效刺激前与有效刺激时的Coherence差异。I-J. 觉醒与麻醉下，丘脑皮层间的Coherence。K-L. 麻醉与觉醒下，CL表层与深层的Coherence差异。M. NCC相关的通路及主要频率图解。黄色代表意识水平下的spiking改变的区域。FF，前反馈；FB，负反馈；TC，丘脑皮层。

本研究强调了深层神经元与丘脑中央外侧核的联系在意识状态改变过程中的重要作用。有趣的是，今年初在Cell上发表的一篇文献《General Anesthesia Decouples Cortical Pyramidal Neurons》（本公众号已推送）也发现了皮质第5层神经元（深层）在麻醉所致意识消失中具有关键作用。

说到此，我们要解释一下皮层第5层神经元的特殊性：它的顶端树突伸至皮质表层，其终末端可接受负反馈信号，胞体端可接受前反馈信号。该研究发现皮层第5层神经元胞体与树突的解偶联是麻醉药扰乱丘脑-皮层及皮层-皮层之间反馈环路从而产生意识消失的细胞机制。

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文章亮点和意义

本文亮点：

刺激丘脑中央外侧核可以一定程度上唤醒麻醉中的猕猴；丘脑及皮质深层神经元的电活动与意识水平相关；意识依赖于前反馈、负反馈及皮质柱之间的信号传递；意识的通路特异性信号传递具有alpha和gamma频率选择性。

临床意义：

既然丘脑中央外侧核及皮层深部神经元在意识维持方面如此重要，那么未来临床上有望通过靶向深部脑刺激治疗意识障碍等疾病。值得注意的是，本研究模型的测量方法比较创新，可用来研究多种神经科学问题，比如研究微意识状态到完全清醒的意识变化过程中神经环路在神经元水平的改变。