醫生如何窺探植物人患者的內心世界

我對無反應患者意識的探索可以追溯到 1997 年，當時我遇到了凱特，一位來自英國劍橋的年輕教師，她因類似流感的疾病而陷入昏迷。幾周內，凱特的醫生宣佈她處於植物狀態——這意味著雖然她有睡眠-覺醒週期，但她缺乏意識。她的眼睛會睜開和閉上，她似乎會短暫地環顧病房，但她沒有表現出內在生命的跡象，也沒有對家人或醫生的提示做出反應。

當時我正在劍橋大學開發新的腦部掃描方法，我在那裡的同事、急性腦損傷專家大衛·梅農建議我們將凱特放入正電子發射斷層掃描 (PET) 掃描器中，看看我們是否可以檢測到她大腦中的任何認知活動跡象。這是一個大膽的嘗試，但我們懷疑我們的一些新腦成像方法可能有效。當凱特在機器裡時，我們透過在電腦螢幕上閃爍她的朋友和家人的照片給她看，並尋找她大腦的任何反應跡象。結果非常驚人。她的腦部不僅對這些面孔做出了反應，而且腦部活動的模式與我們和其他人在向健康、有意識的個體展示親人面孔時看到的情況非常相似。

這意味著什麼？凱特實際上是有意識的，儘管她外表看起來並非如此，還是這只是一種反射性反應？我們需要 10 多年的研究和改進的方法論才能知道如何回答這些問題。

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尋找答案變得越來越緊迫。近年來，創傷護理、路邊急救和重症監護的進步導致更多人在遭受嚴重腦損傷後倖存下來，並像凱特一樣——活著但沒有意識保留的證據。在幾乎每個擁有熟練護理機構的城市和城鎮都可以找到這樣的患者。確定他們的護理和治療——給予多少生命支援，如何權衡家人的意願和患者的預先指示（如果存在）——是一個棘手的倫理難題，涉及痛苦，有時甚至涉及訴訟。這些患者中的一些人會繼續康復到一定程度，儘管很難預測哪些人會康復以及康復程度如何。另一些人則進入最小意識狀態，表現出不一致但可重複的意識跡象。還有一些人則保持植物狀態，有時會持續到生命的盡頭——這可能持續數十年。能夠區分這些狀態對於確定哪些決定最符合患者的最佳利益至關重要。

想象一下打網球

在凱特掃描後的幾年裡，我們在劍橋的團隊嘗試了許多方法來檢測被宣佈為植物人的患者的隱藏意識——我們稱之為隱蔽意識。我們為他們播放了言語——冗長的口語散文——並將他們大腦中的反應與我們播放不包含真實語言的類言語噪音時的反應進行了比較。在許多案例中，我們觀察到假定的植物人患者的腦部活動看起來像健康參與者的腦部活動——當我們向他們播放言語時，大腦的言語感知區域通常會做出反應，但當我們向他們播放類言語噪音時則不會做出反應。然而，和以前一樣，我們不確定看似正常的腦部反應是否反映了未被發現的意識，或者它們是否更基本、更自動化的神經訊號，在很大程度上獨立於任何更高級別的意識處理。

我與梅農、神經科學家馬特·戴維斯以及劍橋大學的其他人員進行了一項關鍵的後續實驗。我們決定給一組健康的參與者——在本例中是一組麻醉師——鎮靜，並將他們暴露於我們已經證明可以引發一些植物人患者正常腦部活動模式的言語和非言語聲音的相同組合。令人驚訝的是，當這些健康受試者被短效麻醉劑異丙酚麻醉失去意識時，大腦的言語感知區域的啟用程度與參與者完全清醒時一樣強烈。這一關鍵證據向我們表明，植物人患者對言語的“正常”腦部反應並不是隱蔽意識的可靠指標。似乎大腦會自動處理言語，即使我們沒有意識並且不知道我們正在這樣做。

是時候回到繪圖板了。我們必須以不同的方式看待隱蔽意識的問題。真正的問題不是我們如何啟用這些患者的大腦，而是我們必須觀察到什麼樣的活動才能確信患者是有意識的。我們從經典的意識臨床評估中找到了答案：對命令的反應。這就是在電視醫療劇中經常描繪的熟悉的“如果你能聽到我，就握住我的手”測試。當然，我們的患者受傷太重，無法對命令做出身體反應，但他們能否透過思考來產生可測量的腦部反應？

我們與當時在比利時列日大學史蒂文·勞雷斯實驗室的神經學家梅蘭妮·博利合作，著手測量健康參與者想象做各種任務時的腦部活動，範圍從唱聖誕頌歌到在他們家中從一個房間走到另一個房間，再到玩一場激烈的網球比賽。對於許多這樣的場景，心理上執行任務會產生穩健可靠的腦部活動模式，類似於實際執行任務。

使用功能性磁共振成像（fMRI），與 PET 不同，它不需要注射示蹤化學物質，我們發現最好的兩項任務是玩想象中的網球比賽和在腦海中在家中從一個房間走到另一個房間。事實上，在我們掃描的每一位健康參與者中，網球任務都在前運動皮層（一個在大腦運動計劃中起作用的區域）引發了強烈的功能性 MRI 活動。另一方面，在腦海中游覽自己的家會啟用頂葉和一個名為海馬旁回的深層大腦區域，這兩個區域都參與表示和導航空間位置。就像電視醫生告訴病人“如果你能聽到我，就握住我的手”一樣，我們發現我們可以透過要求志願者“如果你能聽到我，就想象一下打網球”來引發對命令的可靠反應，這可以透過 fMRI 看到。

令我們驚訝的是，當我們第一次對一位看似植物人的患者嘗試這種技術時，它就奏效了。這位年輕女性作為行人捲入了一起復雜的交通事故，並遭受了相當嚴重的創傷性腦損傷。在接受 fMRI 掃描前，她完全沒有反應達五個月，並且符合所有國際公認的植物狀態診斷標準。在掃描過程中，我們指示她重複並按給定順序執行兩項心理意象任務。值得注意的是，每當要求她想象打網球時，前運動皮層就會出現明顯的腦部活動，就像我們之前掃描過的健康志願者一樣。當要求她想象在自己的家中行走時，我們觀察到頂葉和海馬旁回也出現了明顯的活動，同樣，也像健康志願者一樣。在此基礎上，我們得出結論，儘管該患者無法對外部輸入做出身體反應，但她是有意識的。這一發現改變了其他人對待她的方式，包括醫生、護士和她的家人。根據我的經驗，發現患者有意識通常會促使其他人進行交流、探望、回憶、開玩笑，並以其他方式提高患者的生活質量。

測試我們的方法

在接下來的幾年裡，我們儘可能多地對患者嘗試這項技術，以測試其可靠性並尋求改進方法。到 2010 年，在與勞雷斯及其在列日的研究小組的另一次合作中，我們在《新英格蘭醫學雜誌》上報道說，在 23 名被診斷為植物人的患者中，有 4 名（17%）能夠在 fMRI 掃描器中產生令人信服的反應。作為研究的一部分，我們探索了使用成像任務讓患者回答是或否問題的可能性。其中一位患者在五年前遭受了創傷性腦損傷，並被反覆診斷為植物人。在 fMRI 機器中，他被告知將詢問他一系列簡單的問題，他應該透過想象打網球（表示“是”）或想象在他家中的房間之間移動（表示“否”）來回答。令人難以置信的是，使用這種技術，他能夠成功地傳達五個關於他生活的問題的答案。例如，他能夠表明“是”，他有兄弟，“否”，他沒有姐妹，“是”，他父親的名字是亞歷山大。（此處更改姓名以保護隱私。）他還確認了他在受傷前最後一次去度假的地方。解釋掃描結果為“是”或“否”的研究人員不知道這些問題的答案，這些問題是根據家人的輸入構建的。

點選或輕觸放大

鑑於所用任務的複雜性，顯然該患者的認知活動不僅僅是對周圍環境的意識。他保留了許多更高級別的功能：他可以切換、維持和選擇他的注意力焦點，理解語言並選擇適當的反應，在工作記憶中維護和操作資訊——例如，在處理每個新問題時記住回答“是”或“否”的指令——並回憶起事故發生前的事件。儘管這位患者可以可靠有效地在掃描器內與我們“交流”，但在床邊沒有人能夠建立任何形式的交流。儘管如此，在 fMRI 分析完成後，使用標準技術進行的徹底重新測試使醫生將他的評估更改為“最小意識狀態”——這提醒人們，對於這些患者來說，診斷可能是不確定且可變的。

2011 年 1 月，我將我的整個研究小組搬到安大略省的西安大略大學，以便利用更好的資源、更大的團隊和加拿大卓越研究主席專案的慷慨資助來解決這個問題。這次搬遷使我們能夠擴充套件和改進我們的調查，以解決許多關鍵問題，包括我們是否可以使用我們的技術來改善患者護理。對於一位已被診斷為植物人 12 年的年輕人，我們能夠問一個可能改變他生活的問題：“你感到疼痛嗎？”在一個戲劇性的時刻，BBC 紀錄片攝製組為電視捕捉到了這一刻，他回答說：“不”，這讓我們鬆了一口氣。

另一個問題更具技術性。我們能否找到一種不需要 fMRI 掃描器的測試？對嚴重腦損傷患者進行 fMRI 非常具有挑戰性。除了成本和掃描器可用性的考慮之外，患者在被轉移（通常透過救護車）到配備 fMRI 裝置的機構時，身體壓力可能很大。有些患者無法在掃描器中保持靜止，而金屬植入物（包括鋼板和鋼釘，這在嚴重損傷後很常見）可能會完全排除 fMRI。

我們最近的努力集中在構建一種成本更低、更便攜的方式來使用腦電圖評估腦部活動。腦電圖依賴於連線到頭皮的無創電極，並測量皮層（大腦深層褶皺的外層）中神經元群的活動。它不受金屬植入物的影響，也許最重要的是，可以在床邊完成。不幸的是，腦電圖不容易檢測到非常深層的大腦結構的變化，並且其空間解析度——其檢測特定大腦區域清晰反應的能力——遠低於 fMRI 的情況。為了應對這些侷限性，我們調整了我們的心理意象任務，以在皮層表面產生活動，該區域控制手臂和腿部的簡單運動。現在在英國伯明翰大學的達米安·克魯斯發現，如果他要求健康參與者想象握緊右手或腳趾，他可以根據生成的腦電圖模式檢測到差異。它並非對每個人都有效，但到 2011 年，它已足夠可靠，我們可以開始在患者床邊進行測試。

我們買了一輛吉普車（“EE吉普車”），配備了電極、放大器和我們能找到的最強大的筆記型電腦，然後我們就上路了，將我們的裝置帶給患者。2011 年 11 月，我們在《柳葉刀》上報告了我們的發現。它們與我們使用 fMRI 的結果相似：在我們使用床邊腦電圖測試的 16 名“植物人”患者中，有 3 名（19%）似乎是有意識的，這基於他們對想象擠壓腳趾或手的命令的反應。並非所有人都對這項研究信服。腦電圖分析非常複雜，我們使用的統計算法足夠新穎和複雜，以至於受到了另一個研究小組的質疑。

幸運的是，我們能夠透過使用我們更成熟的 fMRI 技術來證實大多數在腦電圖研究中反應良好的患者的意識。最近，我的團隊一直在開發另一種稱為時間分辨功能性近紅外光譜 (fNIRS) 的行動式技術，該技術可以透過測量大腦中氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白濃度的變化來檢測患者的區域性腦部活動。當要求參與者想象打網球時，結果與使用 fMRI 獲得的結果相當。這項新技術可以在床邊使用，並且比 fMRI 便宜得多。

未來展望

我們接下來該何去何從？僅憑思考就能進行交流的想法困擾了科學家和科幻小說作家幾十年。使用 fMRI、腦電圖和 fNIRS 檢測意識並開始與一些原本無反應的患者進行交流，為開發真正的腦機介面鋪平了道路，這些介面可以將患者的想法傳遞給外界。似乎越來越有可能的是，當這些裝置可用時，它們將透過將特定想法轉換為“是”、“否”以及其他概念來工作。然而，為遭受嚴重腦損傷的個體建立系統並非易事。此類患者很少能控制他們的眼球運動，這排除了依賴眨眼或引導目光的介面，而且他們耗盡的認知資源（腦損傷的常見結果）可能會排除任何需要大量培訓的系統，就像當前的系統一樣。

至於凱特，發生了一件非凡的事情。與我多年來見過的數百名植物人患者不同，她在掃描後幾個月開始康復。她現在住在自己的家中，但仍然需要 24 小時的幫助。她使用輪椅四處走動，並且已經學會重新說話。她的認知能力已經恢復，包括她的幽默感和欣賞她在科學發現過程中所扮演的深刻角色——以及她的大腦。雖然凱特在剛完全清醒時並不記得自己的腦部掃描，但她後來對這種掃描的重要性充滿熱情。“我害怕想到如果我沒有做掃描會發生什麼，”她在 2014 年給我的一封電子郵件中寫道。“所以請用我的案例來向人們展示它們有多好。我希望更多的人瞭解它們。這就像魔法——它找到了我。”

迷失在灰色地帶

意識似乎是一件要麼全有要麼全無的事情——要麼燈亮著，要麼燈熄滅了。但事實上，它可以以程度存在。意識受損的情況被稱為意識障礙（此處列出）。最常見的情況是頭部外傷或事件，例如中風或心臟驟停，導致大腦缺氧：缺氧的後果往往比外傷更糟。患者可能會從一種類別進展或退回到另一種類別，腦死亡除外，腦死亡無法恢復。

腦死亡：大腦和腦幹的所有功能都已永久停止。

昏迷：意識完全喪失；睡眠和覺醒週期消失，眼睛保持閉合。昏迷很少持續超過兩到四周，通常是暫時的；之後，患者會恢復意識或進入以下狀態之一。

植物狀態：睡眠-覺醒週期發生，眼睛可能會自發睜開或在刺激下睜開，但顯示的唯一行為往往是反射性的。著名案例：特里·夏沃、凱倫·安·昆蘭。

最小意識狀態：患者可能看起來像植物人，但有時會表現出意識跡象，例如伸手去拿物體、聽從命令或對環境做出反應。著名案例：特里·沃利斯，他在 19 年後恢復了意識。

閉鎖綜合徵：從技術上講，這種狀態不是意識障礙，因為患者完全有意識；然而，他們無法移動，可能會被錯誤地認為是植物人或最小意識狀態。許多患者確實保留了眨眼和移動眼睛的能力。著名案例：讓-多米尼克·鮑比，他透過眨動左眼口述了一部回憶錄。