一个几年前，在加州大学洛杉矶分校罗纳德·里根医疗中心，我躲过了中午喧闹的喧嚣，躲进了重症监护病房的一间房间。除了设备发出的微弱的嗡嗡声外，一切都很安静。一个病人，我叫他克里斯托弗，躺在房间的一张床上。自从他在两周前的一次车祸中经历了严重的脑损伤后，他就没有表现出意识的行为迹象。他被认为处于昏迷状态，因此完全失去知觉。但这要由我通过行为评估来决定。
当时我还是一名研究生，我已经开始参与第一次临床试验，用超声波治疗患有“意识障碍”(如昏迷或植物人状态)的严重脑损伤患者。人们认为，处于昏迷或植物人状态的人没有视觉或听觉等内在体验。另一方面，处于最低意识状态的人有一些内在体验，但它可能是微弱的或改变的——可能是渐入渐出。(意识是一个术语，它包含了许多现象，但在这里，我用它来指代任何形式的内在经验的存在。)
丘脑LIFUP也许有一天会成为意识障碍的有效治疗方法。
自20世纪50年代以来，超声的高频声波一直被用于医学成像。在这种情况下，超声波通过颅骨聚焦在高度局部的大脑区域，作为一种“神经调节”的形式。可能公平地说，大多数人都没有意识到超声波可以作为一种神经调节器——它可以增加或减少神经元发出信号的可能性——但我们知道超声波可以做到这一点已经有几十年了。确切的原理尚不清楚，但它可能是由超声波对神经元的物理“震动”造成的。这种震动可能会在物理上打开离子通道或产生微小的气泡(称为空化)，从而改变神经元膜的电特性，产生神经放电或“动作电位”。
你可能听说过更成熟的神经调节技术，如经颅磁刺激和经颅电刺激。它们的精确度最多只有几厘米，而且它们不能直接瞄准大脑深处的结构。与这些技术不同的是，聚焦超声可以在大脑深处高度定位的区域(仅几毫米到一厘米多一点)诱导神经调节，而不会显著影响附近的组织，在某些情况下仅几毫米远。聚焦超声神经调节的精确性和深度定位能力使其能够操纵与意识障碍相关的小的深部脑核。
例如，聚焦超声可以让我们瞄准长期以来与意识障碍有关的丘脑。这项技术名为丘脑LIFUP(低强度聚焦超声脉动)，是加州大学洛杉矶分校昏迷科学二人组马丁·蒙蒂(Martin Monti)和卡罗琳·施纳克斯(Caroline Schnakers)的创意。蒙蒂领导着蒙蒂实验室(我是其中一员)。丘脑的大小和形状和你的两个拇指并排放在一起，它位于你头骨的中心。它从脑干、中脑和基底前脑的唤醒调节结构接收大量输入，并似乎在过滤这些信号以响应不断变化的认知需求方面发挥作用。
对这一重要结构的破坏可能会导致意识障碍中常见的症状(低唤醒、认知问题)。对这些疾病患者的MRI分析表明，反应较慢的患者和恢复较慢(或完全没有)的患者的丘脑损伤更大。新兴的LIFUP技术可以让我们无需拿起手术刀，就能刺激丘脑中央区域。通过手术植入电极，该区域的刺激已经改善了一些意识障碍患者的状况。
像大多数研究意识障碍的人一样，我们努力了解这些情况并帮助治疗。这是至关重要的，因为目前还没有令人满意的方法来帮助病人从意识障碍中恢复过来。在美国，这类患者可能有数十万人，可能需要终生重症护理。评估这些病人的行为是一门微妙的艺术。病人眼睛后面的意识程度——有时睁大，有时永远闭着——可能隐藏在行动减少、失明、耳聋或任何数量的损伤之后。我们从功能性核磁共振成像的研究中知道，手指的持续摆动或对正确的问题眨眨眼睛表示“是”，可能揭示了一个基本静止的身体内部的生命。
即使是最有经验的观察者也可能无法察觉意识。在行为评估中，医学专业人员将有意识的个体误诊为无意识的比率被认为接近40%。事实上，仅仅用行为来检测意识是不可能的；神经影像学的最新进展表明，在受伤数月后仍完全瘫痪、无法表达自己的患者中，可能有30%的人是完全清醒的，这种情况被恰当地称为闭锁综合征。如果我们保守地假设20%的持续植物人状态的患者被关在家里，这意味着在任何给定的时间里，美国大约有6000人在看护者不知情的情况下，通过单向镜子观看。最重要的是，这些数字应该传达评估和潜在治疗意识障碍的道德分量。
考虑到这些困难，我在罗纳德·里根医院与克里斯托弗开始了行为评估仪式。我突然拍了拍，就在他的头后面。眼睛轻轻地颤动着。又一次拍手，又一次拍打。如果他能听到，口头命令可能是合适的。“克里斯托弗，”我说，“抬起你的左腿！”我等了10秒钟，什么也没等。“克里斯，抬起你的左腿！”三秒钟过去了，他的左腿移动得非常轻微。“再高一点！”那条腿一动不动。
我的信心下降了。他本可以在合适的时间换班；患者可能会反射性地紧张到大声噪音。“再一次，克里斯，抬起你的左腿！”五秒钟后，它稍微抬起，然后下降。“再来一次，克里斯，抬起你的左腿！”它微微抬起。“高一点！”腿高出病床六英寸，然后，显然筋疲力尽，掉了下来。
我以前对克里斯托弗进行过评估，但我从未见过他对命令做出反应。对命令的反应表明克里斯托弗理解人们对他的要求，将他的诊断从“植物人状态”转变为“最低意识状态”他的反应特别重要，因为这是在我们用LIFUP刺激他的丘脑一天后。
在其他方面，LIFUP已经被用于，当瞄准运动皮层时，引起大鼠的脚爪踢动，当瞄准额叶时，改变正在执行认知任务的猕猴的反应，当瞄准丘脑时，加速大鼠从麻醉中恢复。在过去的5年里，LIFUP研究的复兴见证了它在人类身上的应用。韩国的研究小组已经使用LIFUP来诱发视觉和触觉幻觉，而我们实验室最近发表的一篇论文首次证明了MRI对大脑深部LIFUP的反应
在我们研究的25名患者中，可能有一半的人已经康复——这意味着他们对命令的反应比治疗前更有效，而且/或者表现出了更强的清醒度——恢复的速度我们不能仅靠运气。这些发现在我们的“慢性”病人身上可能是最令人信服的，他们持续昏迷状态超过一年，在我们密切观察他们的几周内，他们更不可能自行恢复。
丘脑提升术也许有一天会成为治疗意识障碍的有效方法。然而，许多挑战将我们与这一目标分开。目前仍然很难预测头骨的形状和密度在个体之间的差异会对提升焦点、强度和精确位置产生多大的影响。提升是否会刺激或抑制脑组织也很难控制，这可能取决于脑组织中的神经元亚型，其影响可能持续多长时间尚不清楚（尽管一些研究表明长达数小时）。
在最近一期的《华尔街日报》上脑刺激我们汇报三名慢性病患者的行为结果。其中一名患者在丘脑提升后首次展示了使用是/否系统进行准确沟通的能力。例如，我问：“你母亲的名字是玛丽吗？”正确答案是“是”。而“你母亲的名字是伯大尼吗？”要求回答“否”。事实上，他正确回答了6个是/否问题，这意味着，根据临床指南，他从意识混乱中走出来，是因为他有足够的意识来理解语言并正确地作出反应。
不幸的是，这名患者在接下来的一个月里确实恢复到了升空前观察到的功能水平，并且不再以这种方式准确地回答问题。我们观察到，一些患者似乎恢复时间更长，而另一些患者仅在几天或几周内恢复。目前尚不清楚升空的影响会持续多久，还有很多研究有待完成。然而，即使是这种暂时的出现对那些认识这位患者的人来说也是宝贵的。他的妻子报告说：“这是一年多来我第一次能和我丈夫说话。”
乔希·凯恩是一名博士。加州大学洛杉矶分校马丁·蒙蒂实验室的候选者，通过将神经调节（与超声波）与脑电和功能磁共振成像等神经成像技术相结合来研究意识和认知功能。
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