中国科学院自动化研究所、首都医科大学附属北京天坛医院与杭州师范大学、比利时列日大学的联合研究团队，通过记录并分析不同年龄、不同病因、不同严重程度的意识障碍患者大脑活动模式与他们意识恢复之间的关系，揭示了意识恢复的共性神经机制，为理解这一世界性医学与科学难题提供了关键证据。近日，相关成果已发表于国际学术期刊《自然·通讯》（Nature Communications）。
意识障碍是指患者因严重脑损伤导致意识长期丧失或严重受损，严重的患者被俗称为“植物人”。我国有约一百万的意识障碍患者，每年新增5-10万，给患者、家庭和社会带来严重影响。这类疾病的病因极其复杂，包括脑外伤、脑卒中、脑缺血缺氧等多种因素，损伤程度和位置各异，患者预后差异巨大。长期以来，科学界一直在探索：如此异质性的疾病背后，是否存在统一的恢复机制？这一问题的答案对于寻找更加有效的治疗手段具有关键意义。
研究团队通过分析23例接受深部脑刺激治疗的意识障碍患者的微电极记录数据，运用人工智能技术深入挖掘大脑“意识开关”——丘脑的神经活动模式。从34个电生理特征中，研究人员筛选出4个关键特征，特别是4-8赫兹的神经振荡（也叫做Theta节律）的强度和稳定性，构建了与患者一年后意识恢复情况高度相关的统一神经度量。
研究显示，该度量指标对不同病因、不同年龄、不同严重程度的患者均具有良好的预后判断能力。这一发现意味着，尽管意识障碍的病因和临床表现千差万别，但其恢复过程受到一个共同的神经机制的影响。
该研究还识别出三种意识障碍的恢复类型。第一类患者丘脑活动普遍沉寂，全部为较为严重的植物状态患者，无一例恢复；第二类具有较高的Theta节律强度，多为残留部分微小意识的患者，超过半数实现意识恢复；第三类虽然大多为植物状态患者，但显示出较高的Theta节律稳定性，代表了一类“隐匿恢复者”，这部分被诊断为植物状态的患者，虽然临床表现不佳，但其丘脑活动保留着恢复的“火种”，最终有过半数患者能够实现意识恢复。未来，有希望更精准地识别这些具有恢复潜力但被常规评估遗漏的患者，并为他们提供针对性治疗。
研究团队通过构建神经网络模型，模拟了意识损伤与恢复的脑网络活动，深入探索了意识恢复的神经机制。研究发现，意识恢复可能存在两条不同的神经动力学路径。路径1先恢复神经输入强度，后恢复稳定性，对应上述第二类患者的典型特征；路径2则相反，先恢复输入的稳定性，后恢复强度，对应第三类"隐匿恢复者"的特征。这两条路径最终都有希望实现意识恢复，但经历的中间状态不同。该发现为国际主流的“ABCD”意识分级理论提供了关键证据，也为理解为何临床表现相似的患者会有不同恢复轨迹提供了新见解。有意思的是，本研究揭示的意识障碍恢复机制，与以前研究中发现的麻醉、睡眠等意识状态的切换过程具有高度的相似性，提示不同类型的意识改变可能遵循统一的神经变化规律。
该研究架起了从基础神经科学到临床应用的桥梁，不仅为高度异质性的意识障碍找到了统一的度量标准，更为临床个体化治疗策略提供了科学依据。基于丘脑Theta节律的统一度量，临床医生能够更准确地评估患者预后，制定个体化治疗方案。对于具有不同丘脑活动特征的患者类型，可以采取针对性的神经调控策略，提高治疗效果。同时，研究团队也正致力于开发非侵入式检测工具，旨在通过高密度脑电图等手段，无创评估丘脑活动状态，并基于人工智能技术构建预后预测系统，惠及更多意识障碍患者。
中国科学院自动化研究所博士研究生张浩然为论文第一作者。中国科学院自动化研究所研究员余山、首都医科大学附属北京天坛医院主任医师何江弘以及杭州师范大学、比利时列日大学教授Steven Laureys为论文共同通讯作者。首都医科大学附属北京天坛医院博士研究生葛芊芊、副主任医师徐珑、博士研究生庄禹童，北京大学教授吴思、博士研究生刘潇，中国人民解放军总医院主治医师党圆圆为论文的共同作者。该工作得到国家重点研发计划计划（2023YFB4706100、2022YFE0141300）、国家自然科学基金（82272118）、北京市自然科学基金（7232046）、加拿大卓越研究主席基金、欧洲生物医学研究基金、比利时国王鲍杜安基金会和国际心理健康基金的资金支持。
