解码意识的神经电信号：中央丘脑点亮意识障碍患者的希望
解码意识的神经电信号：中央丘脑点亮意识障碍患者的希望
神经元电信号是大脑网络传递信息的语言，而丘脑作为意识调控的关键枢纽，在维持意识状态中发挥着不可替代的作用。我们通过研究中央丘脑神经元双模式电活动与意识状态及恢复之间的紧密联系，致力于解码中央丘脑神经元电信号在意识障碍中的独特功能。
导 读
你是否曾设想，大脑深处中央丘脑神经元以毫秒级精度传递的电信号，或许正是唤醒意识障碍患者的关键？脑深部电刺激（DBS）等神经调控技术正逐步成为意识障碍的临床干预手段，能够有效调控中央丘脑神经活动，重塑脑网络，进而促进意识恢复。然而，目前我们对中央丘脑神经元放电在意识障碍中的具体作用机制知之甚少，这在很大程度上限制了临床治疗效果的提升。通过深入探究中央丘脑神经元电活动特征与患者意识状态及恢复之间的关联，我们不仅能揭示不同意识状态的神经表征和DBS的调控机制，还为未来个性化定制DBS参数提供坚实的临床生理数据支持，为更多患者带来重获新生的希望。
图1 图文摘要
为了揭示中央丘脑神经元电活动在意识障碍中发挥的关键作用，中国科学院生物物理研究所与首都医科大学附属北京天坛医院的研究团队开展了一项开创性的基础与临床合作研究。团队采集了29名意识障碍患者的丘脑神经元电活动，并结合临床量表评分和多模态神经影像数据，进行了系统性分析。研究团队共计从29名患者的682个记录位点中收集了960个丘脑神经元的放电活动，构建了意识障碍患者丘脑单神经元水平的电活动数据集。基于DBS电极的重建结果（图2A-B），团队精准划分了丘脑神经元所属的核团区域（图2C），并从神经元动作电位发放中（图2D-E）提取了10个电活动特征，全面评估了丘脑神经元的激活数目、发放强度和变异性等特征指标，其中也包含了簇状放电（burst firing）和持续性放电（tonic firing）的相关特征（图2F）。这为深入解析意识障碍的丘脑机制提供了数据支撑。
图2 意识障碍患者丘脑神经元电活动采集与分析
根据临床量表评分，意识障碍患者被分为微意识状态（MCS）和植物状态（VS/UWS）两类（图3A）。研究团队对比分析了两类患者的丘脑神经元电活动特征，发现多个关键特征在两类患者间存在显著性差异（图3B-C）。与微意识状态患者相比，植物状态患者激活的丘脑神经元数目更少，且表现出更长、更不稳定的簇状放电活动，同时簇状放电强度显著降低。为了更全面地整合这些差异特征，研究团队创新性地构建了神经指数（neuronal index），该指数在两类患者间存在显著差异，能够有效反映患者的意识状态水平。这些发现不仅证实了丘脑神经元电活动在区分意识状态中的重要作用，还特别揭示了簇状放电活动在意识状态中的关键意义。
图3 丘脑神经活动表征患者意识状态
经过DBS治疗，29名患者中有10名患者表现出了明显的功能恢复。为了进一步探究中央丘脑神经元电活动与意识障碍恢复之间的关联，研究团队进行了深入分析。结果表明，意识恢复患者的中央丘脑表现出更强的持续性放电活动、更高的神经元发放间隔变异性、更多的激活神经元数目，以及更不规则且强度更高的多神经元放电活动（图4A-F）。其中5个关键电活动特征被确定为区分患者是否恢复意识的重要指标（图4G）。考虑到患者接受DBS治疗前的意识状态对功能恢复存在潜在影响，研究团队通过线性回归方法对该因素进行排除，结果显示持续性放电活动强度和神经元放电间隔变异性仍能区分患者的功能恢复情况（图4H）。这些发现揭示了中央丘脑神经元电活动在意识恢复中的重要作用。
图4 丘脑神经活动表征患者功能恢复
为了深入探究丘脑-皮层环路在意识障碍功能恢复中的重要作用，研究团队重点分析了丘脑-皮层连接、丘脑电活动及患者功能恢复之间的内在联系（图5A）。基于动态因果模型，团队对中央丘脑和大脑皮层网络间的有效连接进行了拟合分析（图5B）。研究发现，持续性放电强度和放电时间间隔变异性与患者功能恢复显著相关（图5C-D）。中央丘脑CM/Pf核团到前内侧前额叶皮层（aMPFC）的有效连接（ECCM/Pf-aMPFC）是区分患者功能恢复情况的关键指标（图5E）。该连接与中央丘脑神经元电活动和患者功能恢复均存在紧密关联从而形成闭合逻辑环（图5F ）。通过整合持续性放电活动强度、神经元发放间隔变异性和ECCM/Pf-aMPFC等指标，团队构建了患者恢复情况的预测模型，其受试者工作特征曲线下面积（AUC）达到0.84（图5G），显示出较高的预测效能。
图5 丘脑神经活动关联丘脑-皮层连接预测患者功能恢复
总结与展望
本研究系统探讨了意识障碍患者丘脑单神经元放电特征与意识状态及功能恢复的关联机制。结果显示，尤其是簇状放电活动，可作为区分微意识状态与植物状态患者的重要指标；而中央丘脑持续性放电与丘脑-皮层功能连接密切相关，能有效预测DBS治疗后的恢复情况。这些发现不仅深化了对意识障碍丘脑机制的理解，也为个体化DBS参数优化提供了重要理论支持。未来，基于丘脑-皮层环路调控的新策略有望为更多患者带来康复希望，助力他们重获新生。
本工作由中国科学院生物物理研究所认知科学与心理健康全国重点实验室与首都医科大学附属北京天坛医院神经外科中心意识障碍病区深入合作完成。中国科学院生物物理研究所王欢助理研究员和胡永祥博士后为本文第一作者；中国科学院生物物理研究所杨艳研究员（Lead contact）与天坛医院神经外科中心意识障碍病区何江弘主任为共同通讯作者；中国科学院生物物理研究所何生研究员、张朋研究员及比利时列日大学Steven Laureys教授为该论文做出了重要贡献。该工作得到北京市自然科学基金重点专项、2030-“脑科学与类脑研究”重大项目、国家自然科学基金的资助。
本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第6卷第5期以Article发表的“Thalamic burst and tonic firing selectively indicate patients’ consciousness level and recovery” (投稿: 2024-12-21；接收: 2025-02-24；在线刊出: 2025-02-25)。
DOI:10.1016/j.xinn.2025.100846
引用格式：Wang H., Hu Y., Ge Q., et al. (2025). Thalamic burst and tonic firing selectively indicate patients’ consciousness level and recovery.The Innovation 6:100846.
作者简介
杨 艳，中国科学院生物物理研究所认知科学与心理健康全国重点实验室研究员、博导。入选国家自然基金委“优青项目”。主要研究复杂环境下从感知信息到行为动作的神经机制，同时探究其在脑疾病防治、诊断，以及智能技术中的应用。相关研究成果在Nature，Nature Neuroscience，eLife，JNS等国际学术期刊上发表。
何江弘，首都医科大学附属北京天坛医院神经外科中心意识障碍病区主任、教授、博导。北京卫健委“登峰人才计划”团队负责人。致力于意识障碍临床诊治和科学研究近30年，擅长昏迷及植物状态促醒治疗、意识障碍隐匿意识的多模态检测与评定、无创及手术促醒等。相关研究成果在eLife，Brain Stimulation等国际学术期刊上发表。
期刊简介
The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球59个国家；已被151个国家作者引用；每期1/5-1/3通讯作者来自海外。目前有200位编委会成员，来自22个国家；50%编委来自海外(含39位各国院士)；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed，ESCI，INSPEC，EI，中科院分区表(1区)等收录。2023年影响因子为33.2，2023年CiteScore为38.3。秉承“好文章，多宣传”理念，The Innovation在海内外各平台推广作者文章。
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