IT之家 12 月 3 日消息，中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所聯(lián)合北京天壇醫(yī)院、杭州師范大學(xué)等組成的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，通過人工智能技術(shù)分析意識(shí)障礙患者的大腦“意識(shí)開關(guān)”，揭示了意識(shí)恢復(fù)的共性神經(jīng)機(jī)制。

▲ 概念示意圖（圖源：中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所）

從異質(zhì)性中發(fā)現(xiàn)統(tǒng)一規(guī)律

意識(shí)障礙是指患者因嚴(yán)重腦損傷導(dǎo)致意識(shí)長(zhǎng)期喪失或嚴(yán)重受損，嚴(yán)重的患者被俗稱為“植物人”。我國(guó)有約一百萬的意識(shí)障礙患者，每年新增 5-10 萬，給患者、家庭和社會(huì)帶來嚴(yán)重影響。這類疾病的病因極其復(fù)雜，包括腦外傷、腦卒中、腦缺血缺氧等多種因素，損傷程度和位置各異，患者預(yù)后差異巨大。長(zhǎng)期以來，科學(xué)界一直在探索：如此異質(zhì)性的疾病背后，是否存在統(tǒng)一的恢復(fù)機(jī)制？這一問題的答案對(duì)于尋找更加有效的治療手段具有關(guān)鍵意義。

研究團(tuán)隊(duì)通過分析 23 例接受深部腦刺激治療的意識(shí)障礙患者的微電極記錄數(shù)據(jù)，運(yùn)用人工智能技術(shù)深入挖掘大腦“意識(shí)開關(guān)”—— 丘腦的神經(jīng)活動(dòng)模式。從 34 個(gè)電生理特征中，研究人員篩選出 4 個(gè)關(guān)鍵特征，特別是 4-8 赫茲的神經(jīng)振蕩（也叫做 Theta 節(jié)律）的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，構(gòu)建了與患者一年后意識(shí)恢復(fù)情況高度相關(guān)的統(tǒng)一神經(jīng)度量。

研究顯示，該度量指標(biāo)對(duì)不同病因、不同年齡、不同嚴(yán)重程度的患者均具有良好的預(yù)后判斷能力。這一發(fā)現(xiàn)意味著，盡管意識(shí)障礙的病因和臨床表現(xiàn)千差萬別，但其恢復(fù)過程受到一個(gè)共同的神經(jīng)機(jī)制的影響。

識(shí)別“隱匿恢復(fù)者”，帶來新希望

該研究還識(shí)別出三種意識(shí)障礙的恢復(fù)類型。第一類患者丘腦活動(dòng)普遍沉寂，全部為較為嚴(yán)重的植物狀態(tài)患者，無一例恢復(fù)；第二類具有較高的 Theta 節(jié)律強(qiáng)度，多為殘留部分微小意識(shí)的患者，超過半數(shù)實(shí)現(xiàn)意識(shí)恢復(fù)；第三類雖然大多為植物狀態(tài)患者，但顯示出較高的 Theta 節(jié)律穩(wěn)定性，代表了一類“隱匿恢復(fù)者”，這部分被診斷為植物狀態(tài)的患者，雖然臨床表現(xiàn)不佳，但其丘腦活動(dòng)保留著恢復(fù)的“火種”，最終有過半數(shù)患者能夠?qū)崿F(xiàn)意識(shí)恢復(fù)。未來，有希望更精準(zhǔn)地識(shí)別這些具有恢復(fù)潛力但被常規(guī)評(píng)估遺漏的患者，并為他們提供針對(duì)性治療。

雙路徑機(jī)制揭示意識(shí)恢復(fù)的奧秘

研究團(tuán)隊(duì)通過構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，模擬了意識(shí)損傷與恢復(fù)的腦網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)，深入探索了意識(shí)恢復(fù)的神經(jīng)機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，意識(shí)恢復(fù)可能存在兩條不同的神經(jīng)動(dòng)力學(xué)路徑。路徑 1 先恢復(fù)神經(jīng)輸入強(qiáng)度，后恢復(fù)穩(wěn)定性，對(duì)應(yīng)上述第二類患者的典型特征；路徑 2 則相反，先恢復(fù)輸入的穩(wěn)定性，后恢復(fù)強(qiáng)度，對(duì)應(yīng)第三類 " 隱匿恢復(fù)者 " 的特征。這兩條路徑最終都有希望實(shí)現(xiàn)意識(shí)恢復(fù)，但經(jīng)歷的中間狀態(tài)不同。該發(fā)現(xiàn)為國(guó)際主流的“ABCD”意識(shí)分級(jí)理論提供了關(guān)鍵證據(jù)，也為理解為何臨床表現(xiàn)相似的患者會(huì)有不同恢復(fù)軌跡提供了新見解。有意思的是，本研究揭示的意識(shí)障礙恢復(fù)機(jī)制，與以前研究中發(fā)現(xiàn)的麻醉、睡眠等意識(shí)狀態(tài)的切換過程具有高度的相似性，提示不同類型的意識(shí)改變可能遵循統(tǒng)一的神經(jīng)變化規(guī)律。

臨床應(yīng)用前景廣闊

該研究架起了從基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)到臨床應(yīng)用的橋梁，不僅為高度異質(zhì)性的意識(shí)障礙找到了統(tǒng)一的度量標(biāo)準(zhǔn)，更為臨床個(gè)體化治療策略提供了科學(xué)依據(jù)?；谇鹉X Theta 節(jié)律的統(tǒng)一度量，臨床醫(yī)生能夠更準(zhǔn)確地評(píng)估患者預(yù)后，制定個(gè)體化治療方案。對(duì)于具有不同丘腦活動(dòng)特征的患者類型，可以采取針對(duì)性的神經(jīng)調(diào)控策略，提高治療效果。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)也正致力于開發(fā)非侵入式檢測(cè)工具，旨在通過高密度腦電圖等手段，無創(chuàng)評(píng)估丘腦活動(dòng)狀態(tài)，并基于人工智能技術(shù)構(gòu)建預(yù)后預(yù)測(cè)系統(tǒng)，惠及更多意識(shí)障礙患者。

相關(guān)成果已于 11 月 24 日發(fā)表于《自然?通訊》。中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所博士研究生張浩然為論文第一作者。中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所研究員余山、首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院主任醫(yī)師何江弘以及杭州師范大學(xué)、比利時(shí)列日大學(xué)教授 Steven Laureys 為論文共同通訊作者。首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院博士研究生葛芊芊、副主任醫(yī)師徐瓏、博士研究生莊禹童，北京大學(xué)教授吳思、博士研究生劉瀟，中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院主治醫(yī)師黨圓圓為論文的共同作者。IT之家附論文地址：IT之家 12 月 3 日消息，中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所聯(lián)合北京天壇醫(yī)院、杭州師范大學(xué)等組成的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，通過人工智能技術(shù)分析意識(shí)障礙患者的大腦“意識(shí)開關(guān)”，揭示了意識(shí)恢復(fù)的共性神經(jīng)機(jī)制。

▲ 概念示意圖（圖源：中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所）

從異質(zhì)性中發(fā)現(xiàn)統(tǒng)一規(guī)律

意識(shí)障礙是指患者因嚴(yán)重腦損傷導(dǎo)致意識(shí)長(zhǎng)期喪失或嚴(yán)重受損，嚴(yán)重的患者被俗稱為“植物人”。我國(guó)有約一百萬的意識(shí)障礙患者，每年新增 5-10 萬，給患者、家庭和社會(huì)帶來嚴(yán)重影響。這類疾病的病因極其復(fù)雜，包括腦外傷、腦卒中、腦缺血缺氧等多種因素，損傷程度和位置各異，患者預(yù)后差異巨大。長(zhǎng)期以來，科學(xué)界一直在探索：如此異質(zhì)性的疾病背后，是否存在統(tǒng)一的恢復(fù)機(jī)制？這一問題的答案對(duì)于尋找更加有效的治療手段具有關(guān)鍵意義。

研究團(tuán)隊(duì)通過分析 23 例接受深部腦刺激治療的意識(shí)障礙患者的微電極記錄數(shù)據(jù)，運(yùn)用人工智能技術(shù)深入挖掘大腦“意識(shí)開關(guān)”—— 丘腦的神經(jīng)活動(dòng)模式。從 34 個(gè)電生理特征中，研究人員篩選出 4 個(gè)關(guān)鍵特征，特別是 4-8 赫茲的神經(jīng)振蕩（也叫做 Theta 節(jié)律）的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，構(gòu)建了與患者一年后意識(shí)恢復(fù)情況高度相關(guān)的統(tǒng)一神經(jīng)度量。

研究顯示，該度量指標(biāo)對(duì)不同病因、不同年齡、不同嚴(yán)重程度的患者均具有良好的預(yù)后判斷能力。這一發(fā)現(xiàn)意味著，盡管意識(shí)障礙的病因和臨床表現(xiàn)千差萬別，但其恢復(fù)過程受到一個(gè)共同的神經(jīng)機(jī)制的影響。

識(shí)別“隱匿恢復(fù)者”，帶來新希望

該研究還識(shí)別出三種意識(shí)障礙的恢復(fù)類型。第一類患者丘腦活動(dòng)普遍沉寂，全部為較為嚴(yán)重的植物狀態(tài)患者，無一例恢復(fù)；第二類具有較高的 Theta 節(jié)律強(qiáng)度，多為殘留部分微小意識(shí)的患者，超過半數(shù)實(shí)現(xiàn)意識(shí)恢復(fù)；第三類雖然大多為植物狀態(tài)患者，但顯示出較高的 Theta 節(jié)律穩(wěn)定性，代表了一類“隱匿恢復(fù)者”，這部分被診斷為植物狀態(tài)的患者，雖然臨床表現(xiàn)不佳，但其丘腦活動(dòng)保留著恢復(fù)的“火種”，最終有過半數(shù)患者能夠?qū)崿F(xiàn)意識(shí)恢復(fù)。未來，有希望更精準(zhǔn)地識(shí)別這些具有恢復(fù)潛力但被常規(guī)評(píng)估遺漏的患者，并為他們提供針對(duì)性治療。

雙路徑機(jī)制揭示意識(shí)恢復(fù)的奧秘

研究團(tuán)隊(duì)通過構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，模擬了意識(shí)損傷與恢復(fù)的腦網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)，深入探索了意識(shí)恢復(fù)的神經(jīng)機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，意識(shí)恢復(fù)可能存在兩條不同的神經(jīng)動(dòng)力學(xué)路徑。路徑 1 先恢復(fù)神經(jīng)輸入強(qiáng)度，后恢復(fù)穩(wěn)定性，對(duì)應(yīng)上述第二類患者的典型特征；路徑 2 則相反，先恢復(fù)輸入的穩(wěn)定性，后恢復(fù)強(qiáng)度，對(duì)應(yīng)第三類 " 隱匿恢復(fù)者 " 的特征。這兩條路徑最終都有希望實(shí)現(xiàn)意識(shí)恢復(fù)，但經(jīng)歷的中間狀態(tài)不同。該發(fā)現(xiàn)為國(guó)際主流的“ABCD”意識(shí)分級(jí)理論提供了關(guān)鍵證據(jù)，也為理解為何臨床表現(xiàn)相似的患者會(huì)有不同恢復(fù)軌跡提供了新見解。有意思的是，本研究揭示的意識(shí)障礙恢復(fù)機(jī)制，與以前研究中發(fā)現(xiàn)的麻醉、睡眠等意識(shí)狀態(tài)的切換過程具有高度的相似性，提示不同類型的意識(shí)改變可能遵循統(tǒng)一的神經(jīng)變化規(guī)律。

臨床應(yīng)用前景廣闊

該研究架起了從基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)到臨床應(yīng)用的橋梁，不僅為高度異質(zhì)性的意識(shí)障礙找到了統(tǒng)一的度量標(biāo)準(zhǔn)，更為臨床個(gè)體化治療策略提供了科學(xué)依據(jù)?；谇鹉X Theta 節(jié)律的統(tǒng)一度量，臨床醫(yī)生能夠更準(zhǔn)確地評(píng)估患者預(yù)后，制定個(gè)體化治療方案。對(duì)于具有不同丘腦活動(dòng)特征的患者類型，可以采取針對(duì)性的神經(jīng)調(diào)控策略，提高治療效果。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)也正致力于開發(fā)非侵入式檢測(cè)工具，旨在通過高密度腦電圖等手段，無創(chuàng)評(píng)估丘腦活動(dòng)狀態(tài)，并基于人工智能技術(shù)構(gòu)建預(yù)后預(yù)測(cè)系統(tǒng)，惠及更多意識(shí)障礙患者。

相關(guān)成果已于 11 月 24 日發(fā)表于《自然?通訊》。中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所博士研究生張浩然為論文第一作者。中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所研究員余山、首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院主任醫(yī)師何江弘以及杭州師范大學(xué)、比利時(shí)列日大學(xué)教授 Steven Laureys 為論文共同通訊作者。首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院博士研究生葛芊芊、副主任醫(yī)師徐瓏、博士研究生莊禹童，北京大學(xué)教授吳思、博士研究生劉瀟，中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院主治醫(yī)師黨圓圓為論文的共同作者。IT之家附論文地址：