来自氯胺酮麻醉下的人类患者的120秒读数的多孔声谱图显示在高“伽马”频率和非常低的“δ”频率下的不同高功率带(较暖的颜色)
学分:布朗实验室/麻省理工学院皮考尔研究所 通过开发第一个统计模型来精细描述氯胺酮麻醉如何影响大脑，麻省理工学院皮考尔学习与记忆研究所和麻省总医院的一组研究人员为三项进展奠定了新的基础:了解氯胺酮如何诱导麻醉；监测手术患者的无意识状态；应用一种分析大脑活动的新方法
基于9名人类和2名动物受试者的大脑节律测量，发表在《PLOS计算生物学》上的新模型定义了氯胺酮诱导麻醉期间大脑活动的独特特征状态，包括每种状态持续的时间
它还跟踪状态如何从一个状态切换到下一个状态的模式
因此，“β-隐马尔可夫模型”为麻醉学家、神经科学家和数据科学家提供了一个原则性的指南，说明氯胺酮麻醉如何影响大脑以及患者将会经历什么
在平行工作中，资深作者埃默里·恩的实验室
MGH大学的麻醉师布朗和麻省理工学院计算神经科学教授爱德华·胡德·塔普林已经开发了统计分析来表征异丙酚麻醉下的大脑活动，但是新的研究表明，氯胺酮产生完全不同的效果
因此，要更好地了解这种药物并改善患者的治疗效果，就需要有一个氯胺酮特异性模型
麻省理工学院大脑与认知科学系和医学工程与科学研究所以及哈佛医学院的教授布朗说:“现在我们在氯胺酮及其动力学方面有着极其坚实的统计基础。”
制作模型 在MGH大学的同事们展示了氯胺酮麻醉患者的高频伽马节律和极低频δ节律的交替模式后，布朗的团队在研究生Indie Garwood和博士后Sourish Chakravarty的带领下开始进行严格的分析
Chakravarty向Garwood建议，隐马尔可夫模型可能很适合数据，因为它适合描述在离散状态之间切换的系统
为了进行分析，加伍德和团队从两个主要来源收集数据
一组测量来自9名手术患者的前额脑电图，这些患者自愿接受氯胺酮诱导的麻醉一段时间，然后接受额外麻醉药物的手术
另一个来自植入两个动物额叶皮层的电极，这是在麻省理工学院神经科学教授厄尔·米勒的实验室里进行的
使用隐马尔可夫模型分析读数，使用β分布作为观察模型，不仅捕获和表征了先前观察到的伽马和δ节律之间的变化，还捕获和表征了混合这两种节律的一些其他更微妙的状态
重要的是，该模型显示各种状态按照一个特征顺序移动，并定义了每种状态持续的时间
加伍德说，理解这些模式可以进行预测，就像新司机可以学习预测交通灯一样
例如，了解灯从绿色变成黄色再变成红色，黄灯只持续几秒钟，可以帮助新司机预测来到十字路口时该做什么
同样，麻醉医生监测患者的节律可以利用这些发现来确保大脑状态发生应有的变化，或者在没有变化的情况下进行调整
布朗补充说，表征大脑状态的模式及其转变也将有助于神经科学家更好地理解氯胺酮在大脑中的作用
他说，随着研究人员建立大脑底层回路及其对药物反应的计算模型，新的发现将给予他们重要的约束
例如，一个模型要想有效，它不仅要产生交替的伽玛和慢节奏状态，还要产生更微妙的状态
它应该在适当的持续时间内产生每个状态，并以适当的顺序产生状态转换
“缺乏这种模式阻碍了我们其他一些工作的严格推进，”加伍德说
“开发这种方法使我们能够获得定量描述，我们需要能够理解发生了什么，以及是什么样的神经活动产生了这些状态
" 新思想 布朗说，随着神经科学家更多地了解氯胺酮是如何从这些努力中诱导无意识的，一个主要的影响已经很明显了
异丙酚导致大脑活动被非常低频率的节律所支配，而氯胺酮则在高频率节律中包含高能量的时段
布朗说，这两种截然不同的实现无意识的方式似乎表明，意识是一种可以以多种方式丧失的状态
他说:“我可以通过让你的大脑在某种意义上过度活跃来让你失去意识，或者我可以通过放慢速度来让你失去意识。”
“更一般的概念是，有一种动力——我们无法精确定义它——与你的意识有关，一旦你因为太快或太慢、太不协调或超协调而离开这种动力，你就可能失去意识
" 除了考虑这一假设之外，该团队还在研究几个新项目，包括测量氯胺酮对大脑更广泛区域的影响，以及测量受试者从麻醉中醒来时的影响
作者补充说，开发能够在临床环境中监测氯胺酮麻醉下无意识状态的系统，需要开发能够实时运行的模型版本
目前，该系统只能应用于事后数据
除了加伍德、查克拉瓦蒂、布朗和米勒之外，该论文的其他作者还有雅各布·多诺霍、梅雷迪思·马恩克、佩加·卡哈里、舒巴姆·查马迪亚和奥卢瓦森·阿克居
美国国立卫生研究院、MGH国家科学基金会和JPB基金会为这项研究提供了资金
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