互动科普

唤醒植物人

撰文　史蒂文·洛雷（Steven Laureys）

翻译　冯泽君

随着医疗技术的进步，越来越多的急性脑损伤病人得以继续生存。对于在车祸中大脑受创或溺水导致脑缺氧的病人，医生都能保住他们的性命。不过，如果伤势太重，病人就可能昏迷。昏迷期间，病人无法睁开双眼，四肢也只能完成条件反射性活动。昏迷一般会持续2～5周，未能苏醒的病人，要么死亡，要么进入植物状态——虽已摆脱昏迷状态，可是没有任何意识。

权威专家面对植物状态时也往往一筹莫展。因为病人一旦进入植物状态，知觉的两个重要组成部分就完全分离：觉醒完好无损，意识（包括思维和感觉）却消失了。觉醒是指处于植物状态的病人仍然具有睡眠和清醒周期。醒着的时候，他们的眼睛是睁开的，有时会四下张望；其他时候眼睛闭着，就像睡着了一样，但一碰到他们，或对他们讲话，眼睛就可能睁开。这些病人一般能自主呼吸，还能做一些自发性动作，比如磨牙、吞咽、哭、笑、抓别人的手、小声嘀咕以及呻吟等。不过，这些动作只是反射性的，并非有意为之。病人通常不会死盯着某一物体，但有时，他们的目光也会短时间地追踪一个移动的物体，或是朝传来响声的方向看去。

很多“植物人”会在大脑受伤后的一个月内恢复意识，否则就会进入“持续性植物状态”（PVS），时间越久，恢复意识的可能性越小。中国每年有60多万急性脑损伤病人，其中有不少没能在一个月内恢复意识。1994年，专项研究PVS的多学科联合会（一个研究团队，由11个来自不同研究所的科学家组成）得出了这样的结论：如果大脑受到外部创伤后一年，或者脑缺氧损伤后6个月，病人仍无恢复意识的迹象，苏醒过来的机会就几乎为零。对于这些病例，联合会认为应该叫做“永久性植物状态”。

2005年，因为一位女性植物人，政府官员们展开了一场争论，将PVS的研究状况暴露在媒体的聚光灯下。这位病人就是美国佛罗里达州的泰里·夏沃（Terri Schiavo）。1990年，夏沃成为植物人，她的父母和丈夫都不知道她能否恢复意识，并在这一点上产生分歧。2005年，法庭作出判决：允许医生撤掉进食管道。13天后，夏沃脱水而死。 由于这场风波，人们才认识到，开发一种有效判断植物人能否苏醒的方法已迫在眉睫。近年来，科学家们开始应用脑成像技术，在没有反应的病人身上寻找意识的“蛛丝马迹”。如果医生们拥有了检测意识的方法，就可以准确区分哪些脑损伤病人有机会恢复、哪些病人希望渺茫。同时，这项研究本身也有助于了解意识本身。

困难的诊断

植物人无法与人交流，医生的检查即使非常仔细，也有可能忽略意识的存在。近年来，科学家一直在寻找客观高效的检测方法，以免在诊断植物状态的过程中出现差错，磁共振扩散张量成像、脑电图技术便是其中的代表。

那些摆脱了植物状态的病人，最初表现出来的意识活动都非常细微，随着时间的流逝，才慢慢明显起来。一开始，病人会有意识地做一些非反射性动作，但仍然无法表达情感、交流思想，这就是医学上的“微意识状态”。同植物状态一样，处于微意识状态的病人既可能很快恢复意识，也可能长期甚至永远处于这种状态。不过，和前者最大的区别在于，即使病人常年处于微意识状态，仍有机会康复。美国阿肯色州的男性病人特里·沃利斯（Terry Wallis）就是一个典型的例子。1984年，沃利斯不幸遭遇车祸，此后便进入了微意识状态。但在2003年，他又能开口说话了，虽然还不能走路，而且需要全天候看护，不过他的四肢已恢复了部分活动能力。

区分植物状态和微意识状态并不容易，即使经验丰富的医生，也需要反复检测才能作出判断。缺乏意识行为是植物人的典型特征，这也是医生诊断病情的依据。简单地说，如果病人看起来是清醒的（眼睛是睁开的），但一直无法执行某一指令（如“掐我的手”或“朝下看”），只能做一些反射性动作，医生就会认为这位病人已经处于植物状态。

上世纪90年代初，美国得克萨斯州奥斯汀市卫生保健康复中心的南希·蔡尔兹（Nancy Childs）和英国伦敦皇家神经障碍医院的基思·安德鲁斯（Keith Andrews）的研究显示，经过仔细检查，在最初被确诊已进入植物状态的病人当中，超过1/3的病人都表现出了些许意识的迹象。为了得到更可靠的诊断结果，医生们需要对病人进行标准化临床测试，检测他们对各种听觉、视觉以及触觉刺激的反应，比如美国新泽西州爱迪生市乔纳森复健研究所约瑟夫·贾奇诺（Joseph Giacino）制定的昏迷恢复量表、皇家神经障碍医院的海伦·吉尔-思韦茨（Helen Gill-Thwaites）发明的感觉特征复原评估技术等。在诊断方面，这些意识检测标准的有效性毋庸置疑，但和常规的神经学检查，或者格拉斯哥昏迷量表（Glasgow Coma Scale）之类的简单测试相比，就太费时间了。

知觉意识是主观体验，本身就很难由旁人评测。对急性脑损伤和无法交流的病人而言，就算检查得再仔细，也有可能忽略意识的存在。过去10年，研究人员一直在努力寻找客观的检测方法，以避免在诊断植物状态的过程中出现差错。借助X射线计算机断层扫描技术（x-ray computed tomographic scanning）或磁共振成像技术（magnetic resonance imaging，MRI），医生可以观察大脑的结构，确定大脑的损伤程度，但这两种技术都不能检测意识。不过科学的进步带来了转机，最新研究表明，利用磁共振检查得到的图像，医生可以预测脑外伤患者能否从植物状态醒过来。比如，脑干、胼胝体（连接大脑半球的带状组织）等特定脑区受到损伤的病人，苏醒的几率一般都很小。

磁共振扩散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）是近年才出现的新技术，可以检测大脑白质（由大量神经纤维组成）的完整性。利用这种技术，研究人员更加清楚地“看到”了病人从植物状态恢复的生理机制。美国康奈尔大学尼古拉斯·希夫（Nicholas Schiff）最近的研究就是一个典型的例子：他领导的研究小组利用扩散张量成像技术，检测到沃利斯大脑内的轴突居然在重新生长。

另一种比较常用的技术是用脑电图(EEG）监测大脑的电活动。EEG的结果可以显示病人的觉醒状态，因为在安静睡眠时期，大脑的电活动就会减弱。脑电图可以确诊昏迷中的病人是否脑死亡（当EEG无法显示出电位差，即变成一条直线时，可认作脑死亡）。不过，EEG并不能可靠地监测意识的变化情况。对于植物人，脑电图既不能确诊患者所处的状态，也不能预测病人康复的几率。我和比利时列日大学的同事已经证实，微意识状态病人在听到自己的名字时，会产生一个被称为P300电位的脑电活动。然而，有些处于长期植物状态的病人也会出现类似的P300反应，因此，这种技术在这方面似乎没什么诊断价值。

关键的联系

在健康人的大脑中，大脑区域之间的功能性连接以及大脑深部的中心结构（特别是丘脑）对意识的产生至关重要，然而在植物人的大脑中，很多重要的联系似乎中断了。

功能性神经影像技术（functional neuroimaging）也许是研究植物状态最具前景的方法。正电子发射断层显像技术（PET，功能性神经影像技术之一）可以监测大脑的代谢活动，比如检测大脑对葡萄糖的消耗量。利用PET所作的研究表明，植物人大脑代谢活动比较弱，强度还不足正常人的一半。20世纪80年代，美国康奈尔大学弗雷德·普拉姆（Fred Plum）领导的研究小组首先开始进行此类实验，后来，包括我们在内的一些欧洲组织又重复了这些实验，证实了上述现象。但是，我们的实验室在20世纪90年代后期也发现，有些病人从植物状态恢复后，大脑的代谢活动并没有发生实质性改变。

我们还注意到，一些健康自愿者与某些植物人的大脑代谢值很相近。希夫也曾报道，少数植物人的大脑皮质代谢水平几乎与正常水平一致。因此，大脑内能量消耗的整体水平与意识存在与否并没有太大联系。

不过，大脑中的某些区域确实对意识的产生有着重要的意义。多觉联合皮层（polymodal associative cortice）位于大脑额叶和顶叶，分布广泛，经常参与感觉信息的认知过程。在比较了植物人和很多健康自愿者之后，我们发现前者的多觉联合皮层网络的代谢活动明显偏弱，而且，意识与某些大脑区域（即额顶网络）内的功能性连接以及大脑深部的中心结构（特别是丘脑）有关。在植物人的大脑中，皮层之间的远距离联系、皮层与丘脑间的联系似乎都已中断。此外，意识的恢复必然伴随着种种网络连接的重建。

让我们感到无奈的是，处于微意识状态的病人也存在类似的大脑功能失常。因此，当病人处于安静状态时，PET测出的代谢结果无法区分植物人与微意识状态中的病人。只有在给病人施加某种外部刺激，比如疼痛或语言刺激时，分析此刻的大脑功能变化，PET测试的结果才会有所不同。

我们用电击产生疼痛的方式，来刺激植物人和对照组中的正常人，同时用PET技术测量所有人大脑中的血流量——这也是神经活动的一项指标。结果显示，疼痛刺激后，植物人和正常人的脑干、丘脑及初级感觉皮层都接收到了外周神经传来的感觉信息。然而在植物人的大脑中，除了初级感觉皮层以外，其他脑区都没有对刺激作出反应。初级感觉皮层似乎被孤立起来了，和其他区域，尤其是与痛觉意识相关区域的联系中断了。这些结果也让医生认识到，植物人与正常人感受疼痛的方式有所不同。

植物人受到声音刺激时，PET测试也可以得到相似的结果。和疼痛刺激一样，对声音作出反应的大脑区域仅仅局限在初级听觉皮层，高级的多觉区域根本没有反应。如此水平的大脑处理过程还不足以产生听觉意识。但是，在微意识状态病人中，听觉刺激可以引发大规模的、高级的大脑皮层活动，这种现象在植物人中是看不到的。希夫是第一个用功能性磁共振来研究微意识状态病人的科学家。他发现，如果用熟悉的嗓音向病人讲述一个对他很有意义的故事时，病人大脑的语言网络就会被激活。如果换成陌生的声音讲述故事，就不会引起这种反应。但对正常人，陌生声音也可以引起反应。

与此相似，我们小组在2004年发现，比起毫无意义的噪声，极富感染力的声音（如婴儿的哭声、病人的名字）可以在微意识状态的病人大脑内引起更加广泛的反应。以上结果说明，声音携带的内容确实会影响微意识状态病人的反应。但是，若要把此项技术发展为一个诊断工具，我们首先要证明，复杂的听觉刺激在植物人的大脑内无法引起大规模的反应。

真实的案例

利用功能性磁共振检测，科学家对一位23岁的女性植物人进行检测，成功地判断出这位病人大概有20％的几率可以康复。这是否意味着成像技术已经可以运用于实践了呢？

2006年，上述假设经历了严峻的考验。英国剑桥大学阿德里安·欧文（Adrian Owen）的研究小组和我们研究小组的梅拉妮·博丽（Melanie Boly）合作，对一位23岁女性病人进行研究。她在车祸中受到严重脑外伤，昏迷一星期后，进入了植物状态。有时她会睁开眼睛，但对任何语言和非语言指令都没有反应（参见http://www.sciam.cn/article.php?articleid=346）。

车祸发生5个月后，欧文和同事对病人大脑作了功能性磁共振检测。在扫描过程中，研究人员向病人播放了一段正常录音，为了有一个参照，他们还播放了一段与上述录音节奏相吻合的噪音。结果发现，正常录音可以引起病人颞上回和颞中回的反应，这两个脑区与词意和语意的理解有关。在健康人中也可以检测到同样的反应模式。这一结果说明，这位病人的语言意识很可能开始恢复，但也不一定如此——健康人在睡眠或者深度麻醉时也可以被诱发出类似现象。

为了证明这名病人是否有语言意识，研究人员又进行了第2个实验。在这次试验中，病人需要完成的任务就是想象。当研究人员让病人想象自己正在打网球时，功能性磁共振检测显示大脑的辅助运动区被激活，这一结果和正常人的反应一致。接着，研究人员让她想象在自己的房间走动，结果与空间导向有关的神经网络被激活了，其中包括前运动皮层、旁海马皮层和顶叶皮层。这一结果也和正常人一致。尽管该病人已被临床诊断为植物人，但她能理解任务要求，并能多次完成任务，因此她的意识肯定还未丧失。

看到检查结果，我的第一反应就是怀疑病人被误诊了。在实验期间，多位专家都认为她已经处于植物状态，不过她的目光偶尔会短暂停留在某一物体上。有时植物人也会做出这种行为，这不是存在意识的典型表现，因此医生们还得寻找意识的其他表现形式。在6个月后的一次检查中，这名病人可以较长时间（长于5秒）盯住一个物体，而且还会找寻自己在镜子中的影像，这些都是她已经转入微意识状态的标志。目前她还处于微意识状态中，时而会听从指令，但还是无法与人交流。

考虑到这位病人比较年轻，处于植物状态的时间不长，我们从一开始就知道她大概有20％的几率可以康复。因此我们的研究不应该被误解为，所有长期处于植物状态的病人都是有意识的。事实上，在比利时列日大学，我们对其他60多名植物人进行功能性磁共振扫描时，还没有看到任何相似的意识特征。对这位23岁病人检测结果的最好解释就是，在检测时她已经进入微意识状态。其他的研究结果也证实，在功能性磁共振测试中，高级脑区的激活可以预示病人进入了微意识状态。

以上发现说明，探究意识是一件很困难的事。借助新型成像技术检测脑损伤病人的神经活动，我们得到了很多有用的信息，但是科学家们要作更多的研究，才能将功能成像技术应用于植物人的临床诊断，从而为治愈这一重大疾病奠定基础。但就目前而言，植物状态仍然难以准确诊断，要得到相对准确的诊断结果，还得依赖经验丰富的医生们进行仔细的临床检查。