全麻手术时大脑到底发生了什么？Nature Neuroscience：不是“关机”，是让各脑区“各自为政”

全身麻醉堪称现代医学里程碑式的发明，自 19 世纪乙醚首次用于外科手术以来，全球每年超 3 亿台手术依靠全身麻醉，无数患者可以在类似睡眠的无意识状态下完成外科操作。

但有一个基础科学谜题长久悬而未决：麻醉药物究竟如何改变大脑，从而剥夺人的意识与对外界反应能力。更令人感到奇妙的是，化学结构差别巨大的各类麻醉药剂，跨越 7 亿年的演化鸿沟，对线虫、斑马鱼、小鼠、非人灵长类乃至人类，都能产生抑制行为应答的相似效果，这套共通的底层机制一直没有得到完整解释。

发表于Nature Neuroscience的这项跨国研究，跳出过往大多局限单一物种、少数神经指标的研究范式，把人类、猕猴、狨猴、小鼠、斑马鱼、线虫共计六个物种纳入统一分析框架，大规模比对清醒与麻醉状态的神经活动特征。

针对哺乳动物，研究团队利用功能磁共振成像（fMRI）记录脑区活动；针对线虫和斑马鱼这类小动物，则借助钙成像技术捕捉单个神经元的动态信号。不同于传统只挑选少数频谱、振幅指标开展分析的思路，研究使用hctsa 大规模时间序列特征提取工具，对每一段神经信号解析出超过 6000 项时间序列特征，涵盖信号均值、波动变异、可预测程度、神经信息能够维持的时间尺度等海量维度，相当于对不同物种的神经活动完成一次无偏向的全面 “体检”，而不是只选取个别指标做局部观察。

麻醉状态下脑动力学的系统性表型分析

跨物种比对得到一套高度一致的保守动力学表型，不管是线虫的单个神经元，还是人类大脑的大片皮层区域，进入麻醉状态后都会出现两大核心变化：

第一，局部神经活动的内在时间尺度（intrinsic timescale）显著缩短，神经信息留存时间变短，信号来得快、消散也快；

第二，不同脑区之间的活动同步性明显下降，各个脑区之间协同沟通能力减弱。通俗来讲，麻醉下的大脑并不是整体 “熄火关机”，各个局部神经单元依旧可以产生放电活动，如同星星点点的小火苗，但火苗彼此之间失去联动，信息难以在脑内跨区域传播、整合，研究者将这种现象概括为局部神经活动的时空隔离（spatiotemporal isolation）。即便是丙泊酚、七氟烷、氯胺酮这些分子靶点各不相同的麻醉药物，最终都会导向这套趋同的神经动态模式，这也解释了为什么演化距离相差巨大的物种，对麻醉会出现高度相近的行为抑制表现。

找到跨物种保守的神经特征只是发现现象，研究团队进一步利用猕猴开展深部脑刺激（DBS）实验来验证因果关联。

在持续输注丙泊酚维持麻醉的前提下，对中央中丘脑（centromedian thalamus）施加电刺激，该脑区负责调控机体警觉水平与行为应答；刺激生效之后，麻醉诱导的这套异常神经动力学模式发生反向逆转，猕猴重新恢复对外界的行为反应。

作为对照，刺激邻近的腹外侧丘脑却无法实现该唤醒效果。这一对照实验证明，这种 “短时程、低脑区间同步” 的神经状态，并非麻醉带来的无关副产物，而是和意识、行为应答能力存在直接的功能关联。

研究继续往微观层面溯源，这套宏观的麻醉脑动态变化，和大脑皮层兴奋、抑制神经传递相关基因的转录表达模式存在共变关系，跨人类、猕猴、小鼠均可以观察到这种空间对应梯度。

研究者进一步借助全脑生物物理计算模型，模拟突触层面的分子改变：麻醉药物作用在抑制性 GABA 受体或是 NMDA 兴奋性受体，改变突触兴奋、抑制信号衰减的时间常数，就足以复现实验观测到的全部宏观神经动态特征，搭建起分子靶点-突触微观改变-全脑动力学改变之间的理论机制桥梁。

这项工作把麻醉的神经终点，从局限某一个物种、特定脑区、少数观测指标，升级为跨物种、跨尺度的统一描述：麻醉的核心效应，是造成局部神经活动发生时空隔离，破坏大脑在时间、空间维度上整合信息的能力。

对于临床麻醉医生而言，这套保守的动力学特征，为理解、评估麻醉深度提供全新的理论参考；对于神经科学领域，它提示意识维持的关键，恰恰就建立在神经活动在时空上的有效整合，而麻醉药物正是破坏了这套整合过程。

同时也要客观看待研究的边界，该研究只是解析麻醉状态下的神经活动规律，距离彻底解开意识的全部谜题还有很远，也没有直接产出可以投入临床使用的新型麻醉监测或者脑唤醒干预手段。猕猴丘脑电刺激的逆转效应是严格限定实验条件下得到的结果，这套方案能不能迁移应用到人类临床，还需要大量后续动物与临床试验反复验证。

目前团队正沿用这套大规模特征解析方法，拓展研究迷幻类等其他精神活性物质如何重塑大脑神经动态。从微小线虫到人类，“麻醉让大脑各区域各自为政” 这一共通发现，为我们持续追问“麻醉究竟对大脑做了什么”，向前推进了坚实的一步。（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Luppi, A.I., Uhrig, L., Tasserie, J. et al. Comprehensive profiling of brain dynamics during anesthesia across phylogeny. Nat Neurosci (2026). doi：10.1038/s41593-026-02460-4