长达180年的手术室黑箱，一场让大脑“停机”的艺术

1846年10月16日，医生们挤满了马萨诸塞州总医院的环形手术示教室，观看牙医威廉·莫顿（William Morton）测试一个大胆的新想法。

莫顿拿着一个装有浸泡过乙醚的海绵的玻璃吸入器，让一位名叫吉尔伯特·阿博特（Gilbert Abbott）的病人吸气。 几分钟内，阿博特就躺着一动不动了。随后，外科医生约翰·柯林斯·沃伦（John Collins Warren）在阿博特的颈部切开一个切口，切除了一个肿瘤。阿博特醒来后，他表示自己没有感觉到任何疼痛。这是乙醚用于外科麻醉的首次公开演示，也是一个改变了医学史的时刻。

埃默里·布朗

Emery Brown

美国统计学家、

计算神经科学家和麻醉学家

哈佛医学院和麻省总医院（MGH）的沃伦·M·扎波尔麻醉学教授，同时也是麻省总医院的执业麻醉师。在麻省理工学院，他是爱德华·胡德·塔普林医学工程教授和计算神经科学教授，医学工程与科学研究所副所长，以及哈佛-麻省理工学院健康科学与技术项目的负责人。

2015年，布朗因开发用于理解记忆编码和模拟麻醉状态下大脑状态的神经信号处理算法而当选为美国国家工程院院士。布朗是仅有的19位同时当选为美国国家科学院、工程院和医学院院士的学者之一，也是首位获此殊荣的非裔美国人和首位获此殊荣的麻醉学家。

大约140年后，在同一家医院，医学生、87届医学博士埃默里·布朗（Emery Brown）开始了他在麻醉科的轮转实习。他很快就迷上了这个专业。他喜欢运用自己的生理学和药理学知识，在手术室里时刻管理病人的状态。 但有一个问题开始困扰他：尽管自1846年以来全身麻醉已被使用了数百万次，但这一领域似乎无人知晓，甚至无人关心，这套操作究竟是如何起效的。

现任麻省总医院哈佛医学院沃伦·M·扎波尔（Warren M. Zapol）麻醉学教授的布朗思索道：“如果麻醉药物是在大脑中起作用，而我们又了解大脑的回路，难道我们不能开始思考它们在大脑中的作用位置和方式吗？”

布朗对这个问题的执着可能源于他独特的成长路径。他出生于佛罗里达州奥卡拉（Ocala），父母皆为高中数学教师。在攻读医学与哲学双博士学位前，他曾在哈佛大学学习应用数学。获得统计学博士学位，对医学生而言是一条极不寻常的道路。期间，他开发了用于解析神经科学数据的统计方法。当时他并不知道，但当那些关于麻醉神经科学的恼人疑问膨胀到无法忽视时，这项专业技能便派上了大用场。

在2010年《新英格兰医学杂志》的一篇文章中发表了他对麻醉学的批评，并获得了美国国立卫生研究院（NIH）先驱奖，该奖项旨在支持高风险、高回报的研究。在此之后，他开始使用脑电图（EEG）来记录和分析全身麻醉患者的脑电波模式。

▷Brown, Emery N., Ralph Lydic, and Nicholas D. Schiff. "General anesthesia, sleep, and coma." New England Journal of Medicine 363.27 (2010): 2638-2650.

布朗随后证明，麻醉与自然睡眠毫无相似之处；相反，它更像是一种昏迷状态，伴随着神经活动中巨大而缓慢的振荡，这阻碍了大脑不同部位之间的交流。他表明，不同类别的麻醉药物会产生独特的脑电图模式，并且这些模式会根据剂量以及患者的年龄和健康状况而有所不同。他的研究推动麻醉学界迈向一种更严谨、以大脑为核心的认知体系，也深化了人类对意识丧失本身的理解。

布朗是第一位同时当选美国国家科学院、国家工程院和国家医学院这三个国家科学院院士的麻醉学家、第一位统计学家，也是第一位获此殊荣的非裔美国人。他还获得了2024年国家科学奖章。除了他在哈佛医学院的职务外，布朗还是麻省理工学院的医学工程与计算神经科学教授。

《哈佛医学》副主编莫莉·麦克多诺（Molly McDonough）与布朗进行了交谈，以更多地了解我们现在对麻醉和大脑的所知及未知。访谈内容为兼顾篇幅与清晰度已作编辑。

Q

长期以来一直有一种观点认为，麻醉医生可以使用麻醉而不需要真正了解它是如何起作用的。为什么这让你觉得不对劲？

我认为麻醉医生很享受能够说出“我们在做这件事，但我们不知道它是如何起作用的”这种感觉。这就像拥有一个秘密的握手礼，只有知道这个暗号的人才能实施麻醉。 但是，如果你根本不知道它是如何运作的，你就绝无可能去改进它。

凭借神经科学知识，我能观察到一些明显的现象。例如，当神经科医生评估昏迷患者时，他们通常会检查患者的眼头反射，即眼睛如何运动。这并不是因为他们对眼睛感兴趣，而是因为这为他们提供了一个窗口，可以观察脑干中控制觉醒的回路所在的部位。

如果你在全身麻醉的人身上检查这种反射，你会发现这种反射消失了。此外，患者需要失去身体知觉才能忍受外科手术。因此，将全身麻醉视为一种药理学介导的、可逆的昏迷似乎是合理的。

Q

您曾指出，麻醉医生在全身麻醉的语境下倾向于使用“睡眠”这个词，这其实说不通。麻醉医生告诉患者：“你要睡着了。” 然后他们互相交流时又会说：“嗯，我其实不是那个意思。”但他们究竟是什么意思呢？

他们使用“睡眠”一词是因为他们不想通过告诉患者他们将处于一种药理学介导的、可逆的昏迷状态，这会惊吓到患者。这是可理解的。麻醉医生对全身麻醉没有一个清晰的定义。因此，我提出了一个包含四个组成部分的定义：1 失去意识、2 感觉不到疼痛、3 不会形成记忆，4 不会四处乱动。

关键点是在保持患者生理状态稳定的同时创造这些状态，并在手术结束后将他们唤醒。 这让我开始厘清思路；思考麻醉的各个组成部分以及我们是如何产生每个组成部分的。 这也改变了我与患者交谈的方式。我不会说：“我要让你进入一种药理学介导的、可逆的昏迷状态，但别担心，我能把你唤醒。”

但我可以说：“听着，你会失去意识。你不会意识到正在发生的任何事情，也不会感觉到任何疼痛。你对正在发生的事情不会有任何记忆。我可能会给你一些放松肌肉的药物，以便外科医生更容易进行手术。我会一直陪着你，监测你的心率、血压、血氧水平、二氧化碳水平和体温，以确保它们保持稳定。当一切结束，肌肉松弛剂的作用被逆转，其他麻醉剂的效果消退后，我就会把你唤醒。”所以，我只是用通俗的语言向他们解释了全身麻醉的定义。

Q

我们现在了解麻醉是如何起作用的吗？

我认为我们现在了解麻醉生效的主要机制，特别是对于广泛使用的药物，如丙泊酚和乙醚类麻醉剂——七氟烷、异氟烷和地氟烷。

2011年，我开始使用脑电图来监测所有处于全身麻醉下的患者。观察结果令人非常印象深刻：当你使用药物时，你会看到患者的脑电波振荡开始发生变化。在正常的睁眼清醒状态下，脑电图振荡的频率约为每秒40个周期，振幅较小。 随着麻醉剂迅速到达大脑的各个部位，振荡的振幅变大，频率降低，呈现出大约每秒8到14个周期的Alpha振荡）和每秒0.3到4个周期的慢delta振荡。

▷从原始脑电图数据绘制的曲线展示了麻醉剂丙泊酚如何将患者的大脑活动从意识状态下的高频、低振幅波（上图）转化为手术状态下的慢波（中图）。在手术状态下，脑电波主要由两种模式主导：宽阔且呈滚动状的慢德尔塔（slow-delta）振荡，以及被称为阿尔法（alpha）振荡的规律性涟漪。如果麻醉过深，脑电图会显示出一种称为“爆发抑制”（burst suppression）的模式（下图）。图片由布朗提供

因此，丙泊酚和乙醚类麻醉剂正在做的事情之一就是剧烈改变大脑的动力学过程，使得大脑区域间的正常交流无法继续。因为这些振荡不是自然的，并且有时可持续数小时，所以它们解释了为什么术后脑功能障碍很常见，尤其是在老年人中。

我们了解到的另一件事是，高剂量的这些麻醉剂会改变大脑产生ATP（细胞的主要能量来源）的能力。这在脑电图上表现为一种称为“爆发抑制”的特定模式，这是一个警告信号，表明大脑的新陈代谢正在发生改变。我们在60岁及以上的老年患者中经常看到这种情况。他们只需小剂量的这些麻醉剂就很容易进入这种状态。如果我们不进行监测，就无法检测到爆发抑制，患者就会被过量用药。

Q

但是那种持续的脑电图监测并不是标准操作，对吧？

不幸的是，确实如此。脑电图监测在欧洲、南美洲以及可能在亚洲的使用要频繁得多，但在美国这里却并非如此。我认为这是一个根本性的缺陷。

有些监护仪获取脑电图脑电波数据，并将其简化为显示在屏幕上的单一数字或指数。麻醉医生基本上被告知：“不要担心未处理的脑电图信号，只需使用这个指数。只要它在一定范围内，患者就没事。”这完全是黑箱操作。

而且在一些众所周知的情况下，这些指数经常是不正确的，例如在儿童身上，以及在使用某些麻醉剂（如氯胺酮和右美托咪定）时。

在我开始直接阅读脑电图模式的几周内，我就能看到独特的特征，这取决于我们使用的是哪一类药物，并且这些特征也会根据患者的年龄和健康状况而发生变化。这很明显，但没有人坐下来仔细研究过。

Q

所以，如果你只是看着一个数字而不是实际的脑电图特征，风险在于你可能会在某人实际上有意识时假设他们失去了意识？

实际上，更常见的情况是，如果你在给某人麻醉并且担心他们会醒来，你的自然反应就是给他们更多的麻醉剂。因此，由于你不完全相信这个指数，你往往会导致患者用药过量。

人们在麻醉下醒来是一件可怕的事情。然而，这种情况非常罕见。更常见的情况是，由于麻醉过量，患者醒来时出现谵妄（delirium）或脑功能障碍。

Q

这就是你现在在研究中试图解决的问题吗？

这是想要解决的两件事中的一件。一是教麻醉医生，利用我们已经掌握的知识实时阅读脑电图。二是建立一个闭环系统来控制麻醉剂的输送。这就像飞机的自动驾驶模式，实时读取脑电图并使用它来定量麻醉剂，以维持一定水平的无意识状态。根据我们最近完成的动物研究，我们有充分的理由相信这是可行的。

Q

通过将麻醉视为一种可测量的无意识形式，这能帮助我们解答意识究竟是什么这一问题吗？

当人们问我研究什么时，我说我研究无意识，因为那是为了麻醉护理的目的，我想以最合理的方式实施麻醉。但我们知道，一个人可能因为影响皮层、脑干或丘脑的中风而陷入昏迷。有各种各样的方法可以关闭有意识的感知。这表明意识过程依赖于上述大脑区域良好地整合，从而让你能清醒并有意识地进行交流。

除了绘制不同麻醉方法如何减少意识、改变感知或产生无意识的程度，我认为这些方法可以为研究更难问题的研究人员提供指导，告诉他们大脑是如何整合信息以创造意识的。

不过，我们不需要等到那个问题解决了才能改善麻醉护理。我认为，在我们弄清楚意识的所有细节之前，我们就可以开发出更合理、基于神经生理学的麻醉方法。

Q

如果你能穿越时空，向威廉·莫顿与约翰·柯林斯·沃伦解释现代麻醉科学，你认为什么会最让他们感到惊讶？

我认为他们会惊讶地发现，今天实施麻醉的方式中，很大一部分（也许是70%）本质上与他们当时的做法相同。我们仍然广泛使用患者在手术期间吸入的乙醚类药物。

这真的很有趣：在发现使用乙醚进行麻醉之前，你知道外科手术的主要研究领域是什么吗？ 是想出更好的方法来把患者绑住。

乙醚的发现一夜之间改变了外科手术，从宛如屠宰般难以忍受的痛苦变成了更人道的治疗程序。 它必须被认定为医学界最伟大的创新之一。所以我会说：“莫顿医生，你做出了一个真正具有变革性的发现，我们今天仍在使用它，方式几乎相同。世界对此心存感激。它激励着我们利用我们对神经科学和大脑更深入的了解，以创造下一代解决方案。”

https://magazine.hms.harvard.edu/articles/what-happens-brain-under-anesthesia

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