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有意识意味着一个人正在经历一种主观的、现象性的“它是什么”的感觉，即看到一个图像、听到一个声音、思考一个想法或感受一种情绪。虽然我们的清醒经历通常指的是外部世界，但当我们做白日梦时，以及在我们做梦时的睡眠期间，我们仍然保持有意识状态。只有在无梦睡眠或全身麻醉时，意识才会消失，从我们自身的内在角度来看，一切都消失了，我们什么都没有体验到。了解意识的起源，它如何融入宇宙的物理描述及其与身体的关系，是在哲学、心理学和脑科学中一个长期存在的问题。 长期以来，人们已经知道，意识需要中脑相关结构的正常功能和前额皮层部分神经元的活动。寻找意识的神经相关物（neural correlates of consciousness, NCC）的研究逻辑是将意识的行为相关物与它们背后的神经机制联系起来。在本刊2002年发表的意识神经标志物的综述之后，本领域的研究又有了十足的进展。本文将介绍一些研究NCC的当代方法，包括无报告范式。这项工作使得我们对NCC的定位从一个比较宽泛的额顶网络转移到了更为聚焦的靠后的颞顶枕区。我们讨论了意识的两个热门候选生理指标：gamma活动和P3b波，并没有显示出任何预测能力，并讨论了如何开发出其他有前途的意识定量指标。我们概述了这种实证研究计划的固有局限性。本文关注在视觉和听觉研究，对元认知、躯体、处决和嗅觉经验的NCC请参考本文的参考文献4-7。 意识的行为相关物 虽然经验是个体化的，但我们通常可以推断，如果人们清醒并有目的地行动，特别是如果他们能够报告自己的经验，并且该报告与其他人的经验相符，那么他们就是有意识的。在临床环境中，通常使用简单的行为标准来推断意识，例如对命令做出反应的能力（例如，如果患者感到疼痛，就捏两下观察者的手）。意识水平通常通过使用标准化量表对受试者的听觉、视觉、言语和运动功能进行评级来评估。然而，即使没有可靠的行为反应，意识也可能存在。例如，如果不进行仔细和重复的评估，微小意识状态的患者可能会被错误地分类为处于无意识的植物人状态，毋庸置疑这会产生严重的临床和情感后果。 在实验环境中，通常通过口头报告或参与者在回答“是”或“否”问题时按下按钮来评估意识的内容（例如“你看到脸了吗？”）。然而，这种报告的结果可能会因为受试者的个人状态有所不同，尤其是当受试者处于或接近感知阈值时。另一种，迫选范式，可以确定受试者是否检测到或辨别出高于机会水平的刺激，从而确定他们是否客观地意识到这一点。例如，视皮层受损的患者即便主观报告看不到东西（主观指标），在迫选范式下的正确率（客观指标）也可能高于机会水平，也就是忙视现象。 另一种更精细的经验表征方法是使用感知觉察量表，范围从“体验不到”到“短暂的一瞥”、“几乎清晰的图像”和“绝对清晰的图像。”。参与者还可以使用从“完全猜测”到“完全自信”的量表对自己的判断进行信心评级，或者在每次回答后做出经济判断（称为决策后下注）。合理实施此类报告协议时，意识的主观和客观度量会取得一致。此类的范例的使用已扩展到非人类物种。 意识的神经相关物 NCC的定义是足够支持任何特定的意识感知的最小神经元机制。这个定义有两种可能的解释，这取决于我们是指意识的具体内容，还是指意识的整体状态。 内容特定的NCC是决定了体验中的特殊现象性差异的神经元活动（或更一般地说，神经元机制）。例如，当一个人观察、想象或梦见一张面孔时，用于体验面孔的特定的NCC是只在此内容下激活的神经元，而在其他情况下则保持沉默。当本例中特定于面孔内容的NCC神经元被人为激活时，例如，通过经颅磁刺激（TMS）、电刺激或光遗传学刺激，参与者可以在不存在真实面孔的情况下也“看”到一张脸。而如果这些NCC的活动被阻断，即使有面孔存在受试者也“看”不到。 完整NCC则是支持整体意识体验的神经机制，而不考虑其具体内容。这是针对所有可能的体验的内容特定NCC集合的联合。在概念和经验上，区分NCC和意识的背景条件也很重要。背景条件是指不直接影响意识内容的必要背景环境，如适当的葡萄糖和氧气水平、适当的神经元调控微环境和确保足够皮质兴奋性的神经元输入。 识别内容特定的NCC。以面孔特定NCC的识别为例子（图1a），经典的基于报告的视觉范式包括双眼竞争，眼间抑制、双稳态感知（如Necker立方体测试、面孔-花瓶测试和Mooney面孔测试）和各种视觉掩蔽技术（如正向和反向掩蔽和此对比掩蔽）。这些基于报告的范式揭示了在视觉-运动任务中，将能感知到的刺激减去感知不到的刺激时，会有一个广泛的额顶网络的激活。 然而，已经很清楚的是，在感知到意识内容的之前或者之后还有其他过程参与，比如选择性注意，期望，自我监控，无意识刺激加工，任务规划和报告等。近期的实验范式旨在解决这些问题。为了区分真实的、内容特定的NCC（神经相关物）与仅仅是意识前提的神经活动，修改意识阈值的因素（如刺激预期、适应、工作记忆或注意力分配）具有系统性的不同。这可以通过匹配绩效、操纵任务相关性或使用无报告范式来实现，在此期间参与者不进行任何公开报告，例如说话或按下按钮（图1b）。例如，最近一项使用双眼竞争的研究表明，眼球运动和瞳孔扩张与使用标准按钮按压范式的感知优势的有意识报告密切相关。随后，在参与者被动观看刺激的同时，通过功能性MRI（fMRI）识别NCC的会话中，仅眼球运动和瞳孔扩张就代表了参与者的报告。这种无报告范式识别了更受限制的内容特定的NCC，通常包括后皮质区域，但不包括前额叶皮层。 识别完整NCC。识别不基于特定内容的“全”NCC常采用基于特质/状态的方法。这些包括当意识存在时（通常在清醒的健康参与者中不执行任务）的大脑活动与当意识严重减弱时的大脑活动（例如，在无梦睡眠期间，一般麻醉或意识障碍，如昏迷和植物人状态（也称为无反应觉醒综合征）（图1c））的对比。与内容特定NCC的研究结果类似，对完整NCC的此类研究通常发现，当一个人意识清醒时，额叶-顶叶网络被激活。然而，也要注意到，大脑生理状态的重大变化不仅会改变意识，还会改变其他一些大脑功能，如警觉和注意力，这取决于促进觉醒的神经调节器的水平。 解决这些困惑的一种方法是利用意识的自发波动，使用一种内状态、无任务的范式。例如，在睡眠期间，参与者与环境断开连接，并且不执行任务（图1d）。如果参与者从相同的行为定义状态（如非快速眼动（NREM）睡眠）中醒来，他们有时会报告自己有意识的经历（梦），有时会报告无意识。那么在关于意识和无意识的回顾性报告之前，在NREM或REM睡眠期间采集的脑电就可以在同一生理状态下进行对比。这些实验表明，在NREM和REM睡眠中，完整的NCC似乎都局限于与知觉经验相关的颞顶枕区，以及与类似思考的经验相关的额叶区。大脑后皮质区的高频活动预测了梦中所经历的知觉类别，如面孔、空间环境，通过这种内状态、无任务范式确定的后皮质区与清醒时内容特定NCC研究中确定的皮质区结合以及神经心理学证据在很大程度上重叠。由于这一汇聚的证据，后皮质区域可以被视为NCC的热点区域。  a |基于报告的范式中的血流动力学活动，在这种范式中，对比能看到面孔或其他刺激操作（如反向掩蔽）的体验与由于图像噪声而看不到面孔的体验。参与者按下按钮报告看到（是）或没有看到（否）面孔。这隔离了参与有意识的面部识别（一种特定于内容的NCC）的大脑区域，也隔离了参与工作记忆中的面部维护和访问“面部”概念以进行决策的区域。这种对比也消除了意识的背景条件，例如活跃的网状激活系统。 b |无报告、可见/不可见范例中的血流动力学活动，类似于a部分，其中参与者在试验期间不报告其感知。相反，使用回顾性报告或生理指标，如眼球运动或瞳孔扩张，以避免与报告行为相关的混淆。这可以分离特定内容的NCC。所有这些内容特定的NCC的联合构成了完整的NCC。 c |在状态间范式中，与清醒时看到任何事物的体验（这里是看到纯黑色的体验）相关的血液动力学活动与无梦睡眠期间无体验状态相关的活动形成对比。该分析确定了与有意识体验相关的脑区，而且还有调节清醒而不是睡着的区域。 d|在一个内部状态，没有任务范式的情况下，参与者在睡眠中被随机唤醒（N2阶段），并被问到在被唤醒之前，他们是否在做梦，如果是，是什么。这一范式确定了与醒前20秒的梦经历相关的大脑活动——梦意识的完整NCC候选——并避免了与任务执行和状态变化相关的混淆。NREM，非快速眼动。 神经解剖学 皮质下结构。许多大脑区域，尽管有大量的神经元、复杂的结构和丰富的输入和输出，但对我们的体验内容没有直接贡献。例如，小脑的神经元数量是大脑的四倍，小脑与大脑的其他部分紧密相连，接收来自多种模式的映射输入，并大量参与输入和输出控制。然而，小脑损伤对意识及其内容几乎没有影响。 相比之下，脑干损伤通常通过破坏网状激活系统及其相关神经调节系统而导致立即昏迷。然而，大脑皮层严重受损但脑干功能相对完好的神经系统患者通常仍处于植物人状态。这表明脑干活动在临床意义上不足以维持意识。相反，脑干、下丘脑和基底前脑内的异质神经元群的活动很可能通过促进皮层区域之间的有效相互作用，为实现意识提供了重要的背景条件，如果皮层区域的适当子集具有足够的内在激活，那么皮层下神经调节系统的活动可能不是意识所必需的。事实上，当从大多数神经调节系统活动减少的NREM睡眠中醒来时，在超过三分之一的情况下参与者报告在被唤醒之前已经有了意识体验。 基底节的单侧或双侧损伤可产生无运动缄默（醒状昏迷），虽然也是无意识状态，但保留了对视觉线索进行追踪的能力，难以根据经验内容进行评估。在这类患者中，基底节萎缩与警觉性的丧失有关，但与反应程度无关。众所周知，双侧基底节大出血性病变也并不会导致意识水平的明显变化。例如，受家族性双侧基底节坏死影响的儿童可能无法说话，但能够对感官刺激做出反应，并以其他方式与父母沟通。同样，患有迟发性家族性肌张力障碍和基底节病变的成年人可能会出现认知问题，包括额叶综合征，但仍有明显的意识。因此，尽管有许多回路连接皮层、基底节和丘脑，然后再回到皮层，并且这些回路参与认知、边缘系统、运动和动眼神经功能，但仍不清楚基底节是否直接或仅间接（作为使能因素或通过实现无意识功能）促进意识。 屏状体是岛叶皮层下方和壳核上方的薄层细胞，与大多数皮层区域双向连接，被认为在导致意识的信息整合中起着关键作用。一例对患者进行植入电极进行补救手术治疗癫痫发作的病例报告描述了对屏状体下方白质束的电刺激是如何导致患者呆呆地盯着前方，似乎没有意识，直到刺激停止，这个过程没有引起随后的回忆，也没有引起任何癫痫发作。然而，另一份病例报告描述了一名因脑炎导致双侧屏状体和邻近的边缘系统结构，包括导叶皮层损坏的病人仍有意识。 丘脑在意识中的作用仍有争议。丘脑髓板内核的双侧小损伤可导致昏迷，慢性丘脑电刺激可促进某些意识障碍患者的康复。尽管初级丘脑核中所谓的核心神经元具有集中的连接，但几个高级丘脑核富含广泛投射的基质细胞，这可能有助于遥远皮质区域之间的相互作用。因此，一些丘脑细胞可能是意识的关键使能因素。尽管如此，啮齿类动物丘脑的广泛损伤对EEG记录、行为测量或清醒时皮层FOS表达几乎没有影响。此外，对143名严重脑损伤和意识障碍患者的结构成像显示，觉醒水平与丘脑萎缩之间没有相关性，但确实发现了运动功能降低和/或沟通能力降低与丘脑萎缩之间的相关性。处于植物人状态的患者丘脑中继核的活动与意识水平相关性较差。关于丘脑在内容特异性NCC中的作用，猕猴的电生理记录表明，丘脑外侧膝状体神经元的活动与动物报告的感知不相关，而枕状核（一个高阶丘脑核）神经元的活动则相关。然而，高阶丘脑对意识的贡献受到了其他发现的挑战。在人类中，麻醉引起的意识不清与皮质功能受损的相关性比与丘脑活动的相关性更密切。睡眠中生动的幻觉体验也是一样，此时丘脑已经不再活跃。 大脑皮层：初级区域与高级区域。初级视觉皮层（V1）是否直接对视觉意识有贡献，或者它是否只是一个间接的角色-很像视网膜在视觉意识中的角色-是目前仍在争论的主题。已知影响V1神经元活动的几种视觉刺激不会引发相应的视觉体验，在呈现刺激时，可以从参与者V1的血流动力学活动中解码掩蔽刺激的定向，尽管参与者不能正确猜测定向，提示大多数V1神经元的活动与物理刺激的识别而不是感知有关。这与视觉层次中更高层次神经元的活动形成对比，后者与感知而非刺激相关。尽管一些fMRI研究发现人类V1区的活动与双眼竞争或工作记忆任务的知觉有关，但与运动诱导视盲无关。V1的损伤会导致无意识视觉或盲视，这种主观失明可能是由于较高视觉区域的前馈激活不足，或缺乏对V1的反馈，在这种情况下，V1对于有意识的视觉是必要的。纹状体外视觉区域受损且V1完整的患者可能有四分之一视野失明，这表明仅完整的V1不足以实现有意识的视力。相反，在失明和V1受损但纹状体外区域完整的患者中，通过使用TMS刺激顶叶皮层，可以诱导光幻视的感觉。总之，这里讨论的证据支持这样一个假设，即V1不是内容特定NCC的一部分。目前尚不清楚这一结论是否适用于其他视觉属性，如精确的空间地形、亮度和轮廓。其他的主要躯体感觉和听觉皮层是否属于特定内容的NCC也仍有待确定。 有一种观点区分了感知的腹侧皮层流和动作的背侧皮层流活动，腹侧流中的活动涉及有意识的、稳定的视觉对象识别和场景形成，而背侧流处理熟练动作的无意识的、即时的视觉控制。然而，在视觉刺激的同一性和位置方面，已有对这种二分法的质疑，这表明背流和腹流对视觉体验都很重要。 将清醒时的大脑活动与植物人状态下、全身麻醉或深度睡眠下的大脑活动进行对比的人类神经成像研究表明，在失去意识期间，额顶叶皮层的活动减少。大脑活动减少和意识丧失之间相关性最强的区域是后内侧皮质。这些发现表明，前顶皮质是完整NCC的潜在候选区域。然而，其他发现与这一解释相矛盾，包括观察到在失去意识的全身性癫痫发作期间患者额顶叶区域的血流增加。不像主观报告范式那样，无报告范式的结果表明额叶激活对任务准备和执行比意识感知本身更重要。 当在刺激呈现过程中匹配期望和表现时，当将意识与任务相关性进行对比时，以及在最近的许多脑电图、脑磁图和皮层电图实验中，可以看到后皮层在内容特定意识中的主要参与。如前所述，在NERM和REM睡眠期间采用无任务、状态内范式的实验也强调了一个靠后的皮质热区。事实上，在REM睡眠中，当被试生动地做梦时，前额叶皮层的活动常常比清醒时要低。而且，fMRI多变量分析方法可以从枕内侧和外侧区域的活动中解码视觉刺激的识别，但不能从前额皮层和顶内沟中解码，尽管这些区域显示出任务相关的激活。纹状体外视觉皮层的解码强度与对刺激的视觉工作记忆的精确性相关，而额叶皮层和顶内沟活动的解码与任务的类型和难度以及注意力上下文相关。 近百年来，在神经外科手术期间进行的脑电刺激表明很难直接从额叶部位的刺激中产生体验，而通过刺激后皮质更容易触发特定的体验，例如对面孔的感知或想要移动肢体的感觉。最重要的是，通常认为意识的内容与额顶叶激活有关的观点忽视了从损伤研究中获得的充分证据，即意识不需要完整的前额叶皮层。例如，双侧额叶完全切除和双侧前额大面积切除不会损害意识。同样，前额叶白质切除术（前额叶皮层从丘脑输入端切断）不会损害意识。此外，接受广泛双侧前额叶区域切除术（称为顶部切除术，有时与额叶切除术相结合）的受试者不会表现出明显的行为变化，当然也会保持意识。最近，一名双侧前额叶广泛损伤的年轻女性被发现在额叶功能测试中得分严重不足，但感知能力完好，明显有意识。总之，这些数据表明，曾经被普遍认为是意识所必需的广泛前部额顶叶网络在控制和执行认知任务方面可能比支持经验本身发挥更重要的作用（图2）。 皮质神经对视觉刺激（如自然场景和面孔）的反应可以很快发生（在120–140毫秒内），并且可能是由通过V1进入纹状体外皮层和颞下皮层的前馈反射介导的。有人提出，刺激诱发的前馈扫描只有在与从高级皮层返回到视觉皮层的折返扫描相结合时，才会产生有意识的感知。在接受过信号训练的猴子中，无论它们是否看到背景图像中嵌入的突出图形，V1神经元的早期前馈响应是相同的。相比之下，只有当猴子看不到图形时，后面的反馈分量才被抑制，而且可被轻度麻醉消除。在人类和小鼠中的定向连接研究表明，当感知到躯体感觉刺激时，自上而下的连接比感知不到时更强。使用动态因果模型和其他连接指数对脑损伤患者和镇静患者进行的神经成像研究也支持这样的假设，即保持反馈连接对于意识是必要的。  a| fMRI实验的结果，该实验搜索内容特定的NCC。这项实验将视觉单词呈现过程中的活动与相同单词被掩盖因而不可见时的活动进行对比。此任务涉及通过按钮按下的报告。此类研究表明，额顶叶网络和纹外枕区的活动构成了NCC。 b|在双眼竞争范式中发现类似的额顶叶活动模式，志愿者主动报告他们的感知（任务）。然而，当志愿者在没有明确报告感知变化（无任务）的情况下经历竞争时，额叶区域的神经活动缺失，而枕部和顶叶区域的激活仍然存在。 c|在植入硬膜下电极阵列的癫痫患者中使用视觉1-back范式进行的皮层电图（ECoG）研究的结果。当两张连续图片相同时，参与者按下按钮（目标试验）。颜色表示运动任务（红色表示低调制，黄色表示高调制）对所有显著响应的电极（非目标或目标试验期间）的神经活动的调制程度。枕颞视觉皮层区域（显示在白色虚线右侧）对所看到的刺激快速响应，而与任务类型无关（红色），而额叶区域受任务类型的调节（黄色）。 d |正电子发射断层扫描（PET）研究的结果表明，在睡眠期间，顶叶和额叶皮层的绝对脑血流水平都有所下降，该研究使用了状态间范式，将深度非快速眼动（NREM）睡眠期间的大脑活动与清醒状态进行对比。这表明，额顶叶网络中的活动可能对意识至关重要。 e |失神发作期间fMRI信号平均百分比变化的逐体素图：额顶叶活动在意识丧失期间增加（暖色），在随后的意识恢复期间减少（冷色）。 细胞类型特异性。一个悬而未决的问题是，不同的皮质细胞类型，例如在具有大而复杂的大脑的物种的额叶第5层中发现的纺锤体神经元（也称为von Economo神经元），是否与意识的特定方面有关。猫的自动射线照相研究表明，在慢波睡眠期间，视觉皮层的颗粒下层的活动减少，在第5B层的各种物种中发现的厚簇状锥体神经元似乎很好地通过它们的远端顶端簇来整合局部和远距离输入，这些顶端簇接收来自高级皮质区域的大量反馈。然而，这些浓密的簇状细胞主要投射到皮层下结构，它们在皮层内的有限连通性表明，它们可能更适合于实现介导无意识功能和行为的皮层-皮层下-皮层回路，在5A层中专门形成皮质-皮质连接的细簇锥体细胞与第6层中的一些细胞一样，相互连接更紧密。 粒上锥体细胞的连接甚至比5A层神经元更紧密。这些神经元的前馈投射和反馈投射都起源于皮层的表层，与起源于颗粒下层的神经元相比，表现出更高的地形精度。颗粒上锥体细胞的顶端树突，以及位于表层的不同类型的抑制性中间神经元，也是反馈连接和扩散投射丘脑基质细胞的目标。此外，尽管颗粒下和颗粒上层相互连接，但它们可以通过注意过程和睡眠而分离。从功能上讲，颗粒上皮层的兴奋性神经元在放电特性上比颗粒下神经元更具特异性。神经元雪崩-反映有利于信息整合的网络兴奋性临界状态的自发活动的时空模式-仅发生在颗粒上层。在许多物种中，颗粒上层的神经活动通常与意识感觉相关。例如，只有当感知到接近阈值的刺激时，在刺激开始和行为反应之间才会出现可能源自颗粒上层的负慢电位。在异丙酚麻醉下，缓慢皮层电位的晚期负移消失，而早期的阳性成分被保留，在清醒猴子的体感皮层中，意识检测与颗粒上层（最有可能是源自较高皮层区域的反馈连接）的兴奋性输入产生的N1事件相关电位（ERP）的大小和潜伏期之间存在相关性。值得注意的是，N1在一般麻醉和慢波睡眠期间消失。 神经生理学 Gamma振荡。在麻醉和清醒的猫中，发现视觉皮层中的同步神经元放电在低伽马范围（30–70 Hz）对两个共同运动的视觉刺激产生大量兴奋。这导致了一种观点，即意识需要通过伽马范围内的节律性放电来同步神经元群体，这可能解释了单个体验中多种刺激特征的结合（图3a–c）。注意力和网状结构的刺激促进了猫视觉皮层中刺激特定的伽马范围振荡。人类脑电图和脑磁图研究还表明，长距离伽马同步可能与视觉意识相关。 然而，这些研究中的许多并没有仔细地将有意识的可见性与选择性注意区分开来。这样做后，高范围伽马振荡与注意力相关，与参与者是否看到刺激无关，而中范围伽马振荡则与刺激的可见性相关。伽马振荡可以在早期NREM睡眠、麻醉2或癫痫期间持续甚至增加，并且可以在暴露于诱发无意识情绪反应的刺激期间出现，这表明伽马同步可以发生在没有意识的情况下。对人类视觉皮层的一项皮质电图研究表明，窄带伽马振荡是由一些空间模式（如亮度光栅）引起的，而不是由其他空间模式（例如观察者容易看到和识别的噪声模式和自然图像）。这导致了伽马波段振荡对于“看见”是不必要的结论。 P3b。另一个研究得很好的电生理候选意识标志物是视觉或听觉刺激诱发的晚期（刺激开始后＞300ms）、阳性的额顶叶ERP，称为P3b。ERP的P3b成分与刺激检测的主观报告（图3d–f）具有鲁棒相关性。因此，使用听觉oddball范式测量的P3b被认为是意识的标志，揭示了皮层活动通过涉及额顶叶区域的分布式网络的非线性放大（也称为点燃）。 然而，这一解释与几个实验结果相矛盾。例如，与任务无关的刺激不会触发P3b，即使参与者清楚地意识到，而没有意识到的刺激可以触发P3b。P3b也不会对已经在工作记忆中保存了目标刺激做出反应。来自状态间范式的研究结果也对P3b点燃作为意识的可靠标志产生了怀疑，因为由听觉oddball范式引起的P3b区分不了植物人（可能是无意识的）和微小意识状态的患者。事实上，P3b在大多数清醒的脑损伤患者中不存在，并且在识别微小意识状态的患者时灵敏度最小（0.14）。P3b信号的多变量解码可以提高对听觉规则的反应的敏感性。然而，当应用这种分析时，有可能在40%的昏迷患者中发现P3b样成分，这些患者无反应、镇静且体温过低。因此，P3b不是意识的标志。 视觉感知负波是一种ERP偏转，最早在刺激开始后100毫秒开始，在200–250毫秒左右达到峰值，并局限于后皮质（枕叶、颞叶和后顶叶），可能更与意识感知相关。甚至更早的顶叶和颞叶诱发反应（在刺激开始后约70毫秒）分别与顶叶和枕部TMS诱发的光幻视的感知相关。 激活EEG。在注意力清醒时通过EEG记录观察到的低电压快速活动，也称为激活或去同步EEG，是意识的第一个候选电生理指标之一，也是可用的最敏感和最有用的标志之一。在过去30年中，猫大脑皮层和丘脑神经元的细胞内记录揭示了从低电压快速活动（表征清醒）向高电压慢速活动（表征深慢波睡眠和某些形式的麻醉）转变的机制。当丘脑神经元超极化时，它们从主音（tonic）模式切换到突发放电模式，导致EEG在纺锤波（12–14 Hz）和θ波（5–8 Hz）范围内振荡。当皮层神经元开始每秒或每秒在去极化向上状态和超极化向下状态之间同步交替时，EEG中出现δ波范围内的较大振荡（＜4 Hz；也称为慢波）（图3g）。这一系列生理事件伴随着生理、药理和病理状态下的意识丧失。一般来说，慢波可由皮层下激活系统的发射速率降低引发，通过苍白球对丘脑的过度抑制，或通过昏迷患者中常见的临界水平的皮质失神经。 检测脑电图中重复出现的高振幅慢波（＞75μV）是评估人类意识丧失的有效方法，并且比大多数可用的替代方法更好。例如，慢波在深夜的深度睡眠中非常突出，参与者如果被唤醒，通常会声称自己根本没有经历过任何事情。类似地，慢波功率的突然增加与使用异丙酚诱导全身麻醉时的行为丧失一致。在临床背景下，从δ到θ到α范围频率优势的波的变化模式对应于从植物人状态或昏迷到微小意识状态，再到意识状态。 然而，根据全局脑电图模式区分有意识和无意识并不总是可靠的。例如，在严重缺氧后昏迷的患者中记录到广泛的阿尔法节律。相反，在癫痫持续状态的一些罕见情况下，EEG可以在清醒参与者中显示持续的大慢波（图3h）。在这些患者中，慢波活动可能只涉及一些皮质区域。颅内电记录显示，在睡眠期间，即便头皮脑电仍以慢波为主，一些皮层区域可能也会被激活。溯源模型显示，当参与者报告视觉梦时，即使此时其他皮层区域显示低频活动，也会在慢波睡眠中醒来之前，发生顶枕区域的局部激活。因此，可能是局部而非全局的EEG激活对意识很重要，尤其是在后皮质热区。  ab|从猫的视觉皮层中记录的相距7毫米的两个单位的发射反应计算出的交叉相关图显示，当移动条纹刺激两个神经元的感受野时，当通过增加感官证据使刺激可见时，颅内伽马波段响应增加，但当通过先前的暴露使可见性增加到相同程度时，则不会增加. c|可见光栅刺激在人类视觉皮层中引发强烈的伽马振荡（30–80 Hz），而同样可见的噪声模式或自然图像则不会，表明伽马活动对视觉意识不是必需的. d|事件相关电位的晚期阳性成分（称为P3b）也被认为是意识的标志。在注意眨眼范式中，P3b是刺激可见性的一个强有力的相关性，无论参与者是否意识到与任务无关的刺激，P3b都不存在. f|没有意识到的刺激可以触发显著的P3b分量. g|脑电图（EEG）活动从低频到高频的转变被认为是意识的关联。中脑网状结构（MRF）的电刺激引起猫的EEG激活和行为觉醒；EEG慢波被低电压快速活动和稳定的皮层膜电位所取代. h |在清醒清醒的癫痫持续状态患者中观察到高振幅双侧慢波。  a |示意图，显示了自发大脑活动的两个理想化时间序列（脑电图（EEG））和皮质连接的相应地图。通过功能连接性指数衡量，当时间序列高度相关时（上图），集成度往往较高，而当时间序列不高度相关时，集成度则较低（下图）。 b|相同的两个时间序列与大脑活动时空变异的相应地图一起显示。在这里，分化反映在随后的皮质活动图之间的差异中，当时间序列不高度相关时（随机时间序列的最大值），分化倾向于高（上图），当它们高度相关时，分化倾向低（下图）。 c |扰动复杂性指数（PCI）。计算PCI包括用经颅磁刺激（TMS）扰动大脑，记录EEG结果以检测TMS扰动引起的因果皮质相互作用的模式（积分），并压缩该模式以计算其时空变异性和算法复杂性度量（微分）。集成和区分的响应压缩性较差，导致PCI值较高。相比之下，可以有效压缩TMS的局部（低积分）或常规（低分化）EEG响应，从而产生低PCI值。如右图（真实数据）所示，与PCI联合测量整合和分化建立了一个通用的测量量表，该量表在无意识-意识光谱的许多不同条件下都有效，在单个患者水平上是可靠的，包括：那些清醒并能够立即报告自己有意识的人（红圈）；快速眼动（REM）睡眠和氯胺酮麻醉下的参与者无反应，但能够回顾性地报告他们有意识（绿色圆圈）；非快速眼动（NREM）睡眠或全身麻醉（咪达唑仑、异丙酚和氙）的参与者，他们没有意识到觉醒（深蓝色圆圈）；植物状态/无反应觉醒综合征（VS/UWS）患者（浅蓝色圆圈）；以及处于最低意识状态（MCS）、从MCS（EMCS）或闭锁综合征（LIS）中出现的反应性脑损伤患者（浅红色圆圈）。 神经分化和整合 EEG仍然是区分有意识和无意识患者的基本临床工具。这种评估通常包括自发EEG的定性特征（如激活）以及EEG活动如何响应摄动（如患者睁开眼睛时），这些摄动捕获了大脑中电活动的时空分异程度。在NCC的搜索中经常被忽略的激活脑电图的经典概念表明，大量的神经活动模式对意识很重要；最近的研究支持这一观点。例如，在大鼠中，随着地氟醚麻醉后意识的恢复，fMRI血氧水平依赖（BOLD）增加。猴子清醒时的fMRI功能连接比异丙酚麻醉时更丰富。同样，在失去意识时，皮层电动力学模式变得更稳定。在人类中，大脑活动的熵是用于评估麻醉深度和提供植物人状态患者意识恢复的有用预测指标。 人们普遍认识到，意识也需要一个整合的神经基质。为了支持这一观点，全脑功能连接的fMRI研究表明，当意识在睡眠、麻醉和昏迷中丧失时，整合性降低，模块性增加，通过使用EEG测量功能连接性，特别是在α和θ范围，已经得出了类似的结论。然而，在意识丧失的情况下，如异丙酚麻醉或全身麻醉，皮层整合指数（如EEG连贯性和格兰杰因果关系）可能会增加，而由于参与者之间的广泛差异，EEG区分度量（如双谱指数和谱熵）仅在群体层面有用。 使用TMS和EEG组合获得的扰动复杂性指数（PCI）基于意识需要皮层活动的分化和整合这一概念来评估意识水平。与自发活动的区分不同，PCI评估皮层对扰动的确定性反应，因此对随机过程或未真正整合的局部生成模式基本不敏感。与依赖广泛神经同步的整合措施不同，当神经激活在空间上扩展但未分化时，PCI较低，麻醉和全身性癫痫发作时通常如此。TMS还可用于评估参与者与感觉输入和运动输出断开时的意识，例如在绕过了感觉通路的REM睡眠和氯胺酮麻醉期间。PCI是第一个成功评估不同条件下（例如，在不同睡眠阶段、暴露于麻醉剂期间和意识障碍期间）和单个参与者水平上的意识水平的指标（图4）。 结论 完整NCC和内容特异性NCC的解剖学基础不是过去研究中强调的广泛的额顶叶网络，而是主要局限于更小的颞顶叶-顶叶热区（图2）。似乎没有一个大脑区域是意识所必需的，但少数区域，特别是后皮质热区，是完整和特定内容NCC的候选区域。 |
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