意识障碍是严重脑损伤导致的长期意识丧失或受损病症，我国患者超百万，年新增 5—10 万例，给家庭和社会带来沉重负担。由于病因涵盖脑外伤、脑卒中、缺血缺氧等多种类型，且患者损伤程度、病变位置存在显著个体差异，预后效果参差不齐，探寻意识恢复背后统一的神经机制，成为全球医学与科学界共同攻关的重大课题。

近日，我校基础医学院 Steven Laureys教授、狄海波教授团队联合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等科研力量，在该领域取得重要突破。相关研究成果以“A shared central thalamus mechanism underlying diverse recoveries in disorders of consciousness”为题，发表于国际学术期刊《自然・通讯》（Nature Communications）。团队通过人工智能技术深度解析大脑 “意识开关”——丘脑的神经活动规律，首次揭示意识障碍患者恢复背后的共性神经机制，为临床精准评估、个体化治疗提供了关键科学依据，也为千万患者家庭带来康复新希望。

研究团队选取 23 例接受深部脑刺激治疗的意识障碍患者，对其微电极记录数据进行系统分析，借助人工智能挖掘丘脑神经活动的核心特征。

图2

丘脑作为大脑意识调控的关键中枢，被称为“意识开关”。团队从 34 个电生理特征中，筛选出 4 个与意识恢复高度相关的关键指标，其中 4—8 赫兹的 Theta 节律（一种重要的神经振荡形式）的强度与稳定性尤为关键。基于这些特征，团队构建出统一的神经度量，能有效预判患者术后一年的意识恢复情况。实验验证显示，这一度量指标具有广泛适用性，无论患者病因、年龄、病情严重程度存在何种差异，均能准确反映其恢复潜力。这一发现证实，尽管意识障碍的临床表现千差万别，但背后受共同的神经机制调控，为破解当前临床困境提供科学方案。

基于构建的统一度量，研究为长期积累的临床经验提供了神经机制解释（图2）。意识障碍患者主要分为植物状态（VS/UWS）和微小意识状态（MCS）患者，其中MCS又按是否具备语言处理相关功能进一步区分为MCS+与MCS-。临床数据显示，MCS-患者恢复率（75%）高于UWS患者（13.3%），40岁以下年轻患者恢复率高于年长患者，这些现象都与丘脑度量值的分数直接相关（图2a-b）。

尽管受限于样本数量，病因与丘脑度量值尚未形成统计学显著关联，但外伤患者的丘脑度量显示出更高的趋势，这也与外伤患者恢复率更高的经验一致（图2c）。研究还发现，不同病因患者的theta节律功率存在显著差异（图2d）：脑干出血患者最高，创伤患者次之，缺氧患者最低。研究团队认为，这可能源于脑干出血患者的丘脑-皮层连接完整性保存较好，外伤患者（本研究中纳入患者均伴随弥漫性轴索损伤）常伴随丘脑-皮层白质连接损伤，但可能依然残留部分的神经元传入，而缺氧患者常伴随丘脑-皮层灰质受损（神经元受损），继而导致难以响应性兴奋性输入。通过患者间的相似性分析（图2e-f），研究者发现不能恢复（unCR）组的患者表现相对一致，但是能恢复（CR）组患者的内部异质性较大，这提示可能存在多种能意识恢复的患者亚型。维恩图分析（图2g-h）进一步显示，恢复患者通常多个特征同时表现良好，而非恢复患者往往只有单一特征活跃。

图3

借助无监督聚类分析技术，研究团队成功识别出三类具有不同丘脑活动模式的患者亚组（图3a-b），为临床精准分型治疗提供了全新依据：

亚组I：4 个丘脑活动关键特征均表现微弱（图3c），此类患者全部为 UWS 状态，无一例实现意识恢复，提示其丘脑活动沉寂，恢复概率极低；

亚组 II：Theta节律功率和伽马频段同步性较高（图3d），77.8% 为 MCS—患者，55.6% 在术后一年实现意识恢复，这类患者诊断分级更优，具备明确的恢复潜力；

亚组 III：Theta节律稳定性和高伽马节律稳定性突出（图3e），尽管 75% 为 UWS 患者，却意外展现出恢复潜力。这一亚型被称为 “隐匿恢复者”—临床表现虽差，但大脑仍保留恢复“火种”，与国际近年报道的“认知运动分离”“隐匿意识”现象高度契合。这一发现为精准识别常规评估遗漏的潜在恢复患者、开展针对性治疗提供了新路径。

图4

鉴于 Theta 节律的强度与稳定性是预测意识恢复的核心指标，且分别对应两类恢复亚型的典型特征，团队进一步构建了由中央丘脑、丘脑网状核和特异性中继核组成的神经网络模型（图4a-b），模拟意识损伤与恢复的神经动力学过程。

通过调节神经元的静息膜电位、传入设置等意识障碍相关的关键参数（图4c），模型成功还原了健康状态、不同损伤程度下的丘脑活动规律。仿真研究揭示，意识障碍的theta节律源于受损神经元依然残留部分兴奋性输入，通过网络内多核团之间的兴奋抑制交互作用，激活T型钙离子通道介导的低阈值爆发（LTB）机制（图4g）。相比之下，完全受损状态下的神经元无明显放电活动，而健康静息对照下的神经元表现为正常的强直（tonic）放电模式，这二者均不会产生显著的theta节律活动。研究为丘脑神经元的活动模式定义了四个阶段（图4h）：阶段I为完全去传入的静默状态，阶段II为传入部分恢复但无明显节律的状态，阶段III为theta节律状态，阶段IV为完全恢复的强直放电状态。该丘脑活动的四个阶段对应于现有国际主流的“ABCD”意识分级理论（A-D分别代表从昏迷到正常意识的四个水平），为其提供了关键证据。值得关注的是，theta节律在去传入恢复的过程中呈现出倒U型曲线的变化规律（图4i）——先增强后减弱，这与从极深度麻醉中恢复的表现相似。

图5

通过神经网络模型模拟，团队进一步揭示了意识恢复的两条神经动力学路径（图5）。研究发现，系统地调节神经元传入输入的强度（affMag）和稳定性（affStab）两个参数，分别影响theta节律的幅值（功率）与稳定性。如果先恢复神经元接收到输入的强度，会首先恢复theta节律的功率（图5b），对应亚组II患者的典型特征；如果先恢复神经元接收到的输入的稳定性，会首先恢复theta节律的稳定性（图5d），对应亚组III的典型特征。这两条路径虽中间过程不同，但最终均可实现从“传入部分恢复无节律状态”到 “Theta 节律状态”的进阶，成功扩展了“ABCD”意识分级理论，明确从 B 级到 C 级存在两条独立恢复路径。这一发现为解释“临床表现相似的患者恢复轨迹差异显著”的临床现象提供了科学答案，也为制定个体化康复方案提供了理论支撑。

该成果是浙江—比利时意识障碍联合实验室深化跨学科、跨国界合作的重要突破。该实验室由我校狄海波教授与Steven Laureys教授联合领衔。论文第一作者为中国科学院自动化研究所张浩然博士，中国科学院自动化研究所余山研究员、首都医科大学附属北京天坛医院何江弘主任医师与我校 Steven Laureys 教授共同担任通讯作者。研究获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金及加拿大卓越研究主席基金、欧洲生物医学研究基金等多项国家级、国际基金支持。