用逝者大腦，研究意識障礙病患的治療方式

議題背景：

大腦清醒且有意識，對人類來說很重要，但啟動「清醒狀態」的大腦網絡和機制，目前都還不清楚。更難以得知有意識障礙、昏迷、植物人病患的大腦從不清醒到清醒的過程。國際期刊《科學》（Science）於台灣時間2024年5月2日凌晨2:00發表一篇美國麻省總醫院、哈佛大學醫學院與波士頓兒童醫院合作的研究〈Multimodal MRI reveals brainstem connections that sustain wakefulness in human consciousness〉，研究掃描了3位逝世的人大腦結構的影像，結合84位在世的健康人大腦的功能性核磁共振造影（fMRI），研究顯示出大腦皮質網路間用以產生意識的網絡連結非常廣泛，研究結果補齊了很多先前許多針對大腦的研究無法提供的細節，讓我們更理解在清醒且有意識的健康人腦中，清醒和意識的基礎網絡。

研究的限制是只用3位逝世的人大腦結構的影像，樣本還很少，此外，研究中影像的神經纖維束結果並不代表「真實」的神經結構，從影像上看到的結果和解剖結構不一定相同。除此之外研究也還沒有細分出，在預設跟清醒有關的大腦網絡dAAN 內，不同神經電路傳導的功能，所以還不能推論到所有人的大腦、植物人、意識障礙病患等真實的神經運作情形。台灣科技媒體中心邀請研究大腦網絡的專家，解析這篇研究結果，專家指出，這篇研究對臨床上如何診斷與治療清醒與意識障礙（如昏迷和植物狀態）提供了新的線索。

研究原文：

Brian L. Edlow et al., Multimodal MRI reveals brainstem connections that sustain wakefulness in human consciousness.Sci. Transl. Med.16,eadj4303(2024).DOI:10.1126/scitranslmed.adj4303

專家怎麼說？

【藍亭】 【曾祥非】 

2024年5月2日
《意識與認知》(Consciousness and Cognition)期刊副編輯/中央研究院歐美研究所兼任研究員
藍亭 Timothy Joseph Lane 

有許多科學家相信，科學中最重要的問題牽涉到意識的本質。意識是什麼？或者要如何解釋它？這個問題聽起來可能很玄妙而且與我們的日常生活無關。但請想一想：除非你相信靈魂是存在的，不然即使心臟、肺和其他器官運作良好，當你永遠失去了像健康的人一樣，從深睡或麻醉中甦醒過來，同時有意識而且清醒的能力，此時，你對自我、對周圍世界的獨特主觀經驗已然死亡，「你」已不復存在。

本篇研究第一作者布萊恩·艾德洛（Brian Edlow）和團隊讓我們更進一步理解人類的意識能力。我寫「人類」是因為這是本研究的重點，而且即使我們對人類意識的案例了解得很少，人類仍然是我們目前了解最多的了。至於人工智慧、猿類、章魚或其他物體或生物，我們所知更少。

這篇文章重要的內容之一是區分「醒著」和「有意識」（being awake and being conscious）這兩種狀態。這兩者是分開的，在被診斷為「植物人」的患者中最為明顯：這些患者確實會入睡，但他們會自動睜開眼睛並醒來。被診斷為「植物人」表示患者有醒來的能力，但在醒著時他們沒有意識到自我或外界。

台北醫學大學的大腦與意識研究中心使用不同的技術研究「植物人」或意識障礙的病人，像是腦部的核磁共振造影（MRI）和正子掃描（PET），研究腦部代謝、腦血流、神經傳導物質等。對於大腦與意識研究中心來說，我們研究清醒但無意識的病患。艾德洛的研究補強了我們研究的一大重點——通常「清醒」的能力是「有意識」的先決條件。

有些專注在研究意識的團隊傾向於研究大腦皮質，艾德洛的團隊則指出在大腦皮質下區域的研究結果，這些區域似乎會調控「醒著」或「警醒」狀態（awakening or arousal）。使用標準的核磁共振造影方法掃描下皮質時解析度有限，而他們找到方法克服了解析度的限制。研究者結合三位已逝者與84位健康在世者大腦影像，透過已逝者較高解析度的核磁共振影像，獲得了相當清楚的腦部網絡結構，尤其是對清醒或警醒很重要的網絡，接著再結合健康在世者的功能性核磁共振影像。

艾德洛等人補齊了先前皮質下區域研究無法提供的很多細節，還顯示出大腦皮質網路間用以產生意識的網絡連結非常廣泛。也很重要的是，他們的發現有助於解釋多巴胺在警醒與意識的網絡中的作用。這為什麼重要？因為在台灣，最常用來治療意識障礙的藥物是阿曼汀（amantadine），一種多巴胺藥物。以前我們對這個藥物能夠用來恢復意識的機制所知甚少，因此我們現在更了解了。

然而，我們應該謹慎解讀這篇重要的研究。大多數情況下的人類要清醒才有意識。這方面可以說，這項研究增加了我們對意識的理解。但有意識，並不表示我們清醒——我們可以在夢境中、睡眠時意識到很生動的經驗。而研究作者們也將「清醒」與「警醒」混為一談，但這兩者並非每次都同時發生，一個人在夢遊時即使處在深度睡眠（即不清醒），仍可能是高度警醒（即有能力採取行動、計畫下一步的動作，但與意識無關）且非常活躍的狀態，例如仍然可以完全無意識或幾乎沒有意識的開車、彈鋼琴。

這篇研究的重要性或許還可以延伸到臨床的範疇。如果慢性和急性意識障礙的病患加起來，在台灣可能有多達3萬名這樣的病人。這些病人通常在30天內出院，沒有充足的時間被適當的診斷、給予適當的治療、準確的預後和長期的照護。很不幸地，根據2009年比利時腦傷中心的研究，41%的病人被誤診為「植物人」，而許多原本可能有樂觀預後的病人，卻未能得到可能讓他們恢復的適當治療。艾德洛及其團隊的研究顯示出，特別引導臨床人員關注到之前比較少被注意到的大腦皮質下網絡的細節，尤其與警醒有關的細節，有望協助改善這種誤診的情況。

2024年5月2日
國立臺灣大學心理學系教授 曾祥非

對我來說，意識（consciousness）其實是包含清醒的情況下，和意識到的內容。

但這項研究中作者指的「意識」，是指意識到的內容（awareness）。以下提到的「意識」是用研究作者指的awareness來解釋。

研究將清醒程度（wakefulness）與意識到的內容（awareness）這兩個概念做區分，並結合結構與功能性的腦影像資料，繪製出對人類清醒時相當重要的default ascending arousal network （dAAN）大腦網絡節點，包括腦幹、下視丘、丘腦和基底前腦。為方便讀者們理解，可將大腦的「結構性資料」想像成城市的道路地圖，而「功能性資料」則類似城市各區的人數流動，顯然後者的流暢是建立在完整的結構基礎上。過去，解剖學通常研究結構，腦造影則著重於功能；這項研究的特殊之處則在於它結合了逝世的人的腦部擴散磁振造影（Diffusion MRI）與清醒活人的高解析度功能性核磁共振造影（fMRI）數據，將大腦結構路徑與潛在的功能性（像是神經的資訊傳遞）連接起來。

除了是否清醒，這項研究也嘗試將dAAN與有意識的經驗（或內容）息息相關的預設模式網路（Default Mode Network, DMN）做連結。回到上述比喻，dAAN與DMN好比是大腦中兩座結構與功能各異的城市，過去雖知兩市之間有頻繁的交流，卻難以詳查具體情況。這項研究透過結構性與功能性網絡的分析，終於將兩個城市的交通樞紐釐清，不只把彼此之間最主要的高速公路畫出來（研究中的LFB，側前腦束），甚至將連結度最高的總轉運站（研究中的VTA，中腦的腹側被蓋區）也標出。這些結果不僅加深了我們對清醒和意識背後神經機制的理解，也對臨床上如何診斷與治療清醒與意識障礙（如昏迷和植物狀態）提供了新的線索。

這項研究的限制在於，結構資料僅使用三個人類腦部標本，因此未來有可能需要更大的樣本驗證。此外，雖然擴散磁振造影顯揭示了神經連接的潛在路徑，但該路徑上的訊息內容（乘客是誰）、方向（單行還是雙向）以及每個腦區的角色與分工仍需進一步研究。

總結來說，這項研究顯示，大腦從不清醒到清醒的轉變，涉及到多個 dAAN 節點之間的連接。而此dAAN網絡再與撐起意識內容的預設模式網路相連結，共同形塑了我們清醒且豐富的意識經驗。

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