有意識意味著什麼？千百年來，人們一直在思考和書寫這個問題。然而，關於有意識的頭腦，仍然存在許多謎團，包括如何測量和評估它。意識的單位是什麼？意識有不同的層次嗎？睡眠、昏迷和全身麻醉期間意識會發生什麼？
作為麻醉師，我們經常思考這些問題。我們每天都向患者承諾，在手術期間，他們將與外界和內心的想法隔絕，不會保留任何手術體驗的記憶，也不會感到疼痛。透過這種方式，全身麻醉促成了巨大的醫學進步，從顯微血管修復到實體器官移植。
除了對臨床護理的巨大影響外，麻醉劑已成為強大的科學工具，可以探究有關意識的問題。它們使我們能夠誘導意識狀態發生深刻且可逆的變化——並研究這些轉變過程中的大腦反應。
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但麻醉師面臨的挑戰之一是測量從一種狀態到另一種狀態的轉變。 這是因為許多現有的方法會中斷或擾亂我們試圖研究的內容。 本質上，評估系統會影響系統。 在人類意識研究中，確定某人是否有意識可能會喚醒被研究者——從而混淆了該評估。 為了應對這一挑戰，我們採用了一種簡單的方法，我們稱之為呼吸-擠壓法。 它為我們提供了一種研究意識狀態變化的方法，而不會中斷這些轉變。
為了理解這種方法，它有助於考慮一些來自意識研究的見解，這些研究使用了麻醉劑。 幾十年來，研究人員一直使用腦電圖 (EEG) 來觀察接受各種麻醉劑的人的大腦電活動。 然後，他們可以使用腦電圖讀數分析該活動，以表徵特定於各種麻醉劑的模式，即所謂的麻醉簽名。
此類研究表明，大多數麻醉藥物會減慢大腦的節律並增加其幅度，這些影響會損害大腦區域之間的交流。 例如，最近的一項研究發現，丙泊酚（全身麻醉最常用的藥物）可以擾亂大腦區域通常協同工作以處理感覺資訊的方式。
這項研究和其他研究表明，意識不僅僅是一個二元概念——開或關，有意識或無意識——而是一種可以包含不同狀態連續體的概念，這些狀態涉及不同型別的大腦功能。 例如，意識可以透過我們的感官和行為與環境相連（連線意識），就像我們大多數清醒的時間一樣，或者與周圍環境斷開連線（斷開連線的意識），就像我們在睡眠期間做夢時一樣。
無意識——就像某人處於昏迷狀態時一樣——比連線意識或斷開連線的意識更難研究，但它通常被理解為一種遺忘狀態，沒有主觀體驗或記憶。 當我們為患者準備手術時，我們會調整麻醉劑的劑量以使其失去意識。 當某人接受全身麻醉時，他們正在經歷一種暫時的、可逆的昏迷，在此期間他們不會感到疼痛，並且之後他們將不會對手術有任何記憶。
理解這些狀態之間的轉變對於確保充分的全身麻醉水平，以及闡明麻醉學、意識、睡眠和昏迷研究中的問題至關重要。 為了更好地繪製出連線意識的轉變，我們最近採用了一種新方法，用於監測一個人在沒有外部提示的情況下產生意志行為的能力。
通常，研究人員透過發出口頭命令並記錄行為反應來跟蹤鎮靜的開始。 例如，科學家可能會在某人接受麻醉劑輸注時定期要求他們睜開眼睛或按下按鈕。 一旦此人停止響應此命令，科學家就會認為他們已經失去了連線意識。
這項技術已被證明可用於對比連線意識和斷開連線意識的頭腦。 但是，當涉及到理解這些狀態之間的轉變時，存在幾個缺點。 首先，聽覺提示不標準化：聲音的語調和音量、所說的內容以及重複的頻率在研究之間甚至研究內部都各不相同。 更根本的問題是，這些命令可能會在人們進入斷開連線狀態時喚醒他們。 這種限制意味著研究人員通常需要等待幾分鐘才能發出口頭命令並評估響應——從而增加了轉變確切時間的不確定性。
在我們的研究中，我們想要一種更靈敏、更精確的方法來測量鎮靜的開始，而不會冒擾亂轉變的風險。 因此，我們轉向了睡眠研究人員在馬薩諸塞州總醫院和約翰·霍普金斯大學於 2014 年首次描述的方法。 在那項工作中，研究人員要求參與者在每次吸氣時擠壓一個球。 研究人員使用測力計（一種測量握力的工具）和肌電圖感測器（一種測量肌肉反應的工具）來跟蹤每個人的擠壓。 透過這種方式，他們能夠精確地跟蹤睡眠開始過程而不會中斷它。
為了我們的研究，我們使用相同的任務訓練了 14 名健康的志願者，並將呼吸-擠壓練習作為一種正念冥想呈現。 我們指示參與者專注於他們的呼吸，並在每次吸氣時擠壓一個手持式測力計。 在對每個人進行幾分鐘的訓練後，我們在他們的手臂中放置了一根靜脈導管以輸送鎮靜劑，並設定了生命體徵監護儀和一個合適的 64 通道腦電圖帽，以記錄整個實驗過程中的腦電波。
在沒有任何鎮靜的初始基線期間，所有參與者都可靠地將其擠壓與呼吸同步。 然後，他們接受了右美託咪定（一種常用於手術室和重症監護室的鎮靜劑）的緩慢輸注。 隨著右美託咪定在大腦中的濃度增加，參與者偶爾會錯過擠壓或錯過擠壓時間。 最終，他們完全停止擠壓。
在進行了一些額外的測試後，我們關閉了右美託咪定輸注，讓參與者從鎮靜中恢復過來。 令我們驚訝的是，經過 20 到 30 分鐘的時間後，每個人都記住了這項任務，並開始在沒有任何提示的情況下自發地與他們的呼吸同步擠壓。 這使我們能夠分析鎮靜開始和鎮靜結束的時間，並將它們與之前使用口頭命令評估意識的研究進行比較。
呼吸-擠壓任務顯然是一種更靈敏的方法，可以測量連線意識的轉變。 參與者停止執行任務時的右美託咪定濃度低於其他研究中觀察到的人們停止響應聽覺提示時的濃度——突出了外部提示對系統的喚醒作用。 這些發現也可能表明，連線意識可以進一步細分為內部產生的行為（例如提醒自己在吸氣時擠壓球）和外部提示的行為（例如響應口頭命令），它們具有不同的轉變點——這一想法改進了我們對意識連續統一體的理解。
過去的研究已經描述了連線意識和斷開連線意識狀態下大腦的樣子——因此我們大致知道腦電圖記錄的預期結果。 但我們不太確定我們的技術如何與大腦在意識狀態之間的轉變相一致。 我們發現，在人們停止擠壓球的時候，大腦中出現了非常清晰的變化模式。 此外，我們沒有看到任何證據表明擠壓任務擾亂了人們的意識狀態。 腦電圖還揭示了比過去工作更具體的變化時間範圍，將轉變精確到大約 5 到 6 秒的視窗期，而不是過去工作中常見的 30 到 120 秒的間隔。
作為一個額外的福利，我們很高興地發現，我們研究中的許多參與者都喜歡呼吸-擠壓任務，將其作為一種專注於平靜身心的方式。 因此，我們也在臨床實踐中實施該方法——即在精心控制的研究之外——在為大型手術誘導全身麻醉時，否則這可能會給患者帶來壓力。
我們現在正在透過分析我們的腦電圖資料以及我們志願者的結構磁共振成像 (MRI) 資料來進一步開展這項工作。 這些對從連線意識向斷開連線意識轉變的見解可以幫助指導需要手術麻醉的患者的臨床護理，以及患有睡眠障礙或昏迷的患者的臨床護理。 這些研究還促使我們認真思考意識的更深層哲學方面，並可能由此闡明有意識意味著什麼這個根本問題。
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