我們認為任何型別的外科手術，無論是拔除智齒還是更換心臟瓣膜，都應該是無痛的，並且不會留下任何不好的記憶，這是理所當然的。每年，全球數千萬患者記得為手術做準備——然後就什麼都不記得了，直到他們在恢復室醒來。這就是全身麻醉的神奇之處，它安全地擊倒了生命中最寶貴的財富——意識體驗，然後可靠地恢復它，沒有任何持久的後果。當然，情況並非總是如此。直到19世紀中期發現一氧化二氮作為麻醉劑之前，手術還是一種極端和危險的最後手段，其效果充其量只能被鴉片或酒精減輕。
今天，麻醉師可以從各種令人驚訝的化學物質中進行選擇，以分別和獨立地消除疼痛（鎮痛）、記憶（失憶）、活動能力和對切割、刮擦、鑽孔或燒灼手術過程的反應，以及，從患者的角度來看最重要的，意識（意識喪失）。存在兩種型別的麻醉劑：靜脈注射劑，如巴比妥酸鹽、丙泊酚和氯胺酮，它們被注射到血液中以快速誘導和維持麻醉；吸入性麻醉劑，如笑氣（一氧化二氮）或揮發性液體的蒸氣，包括異氟醚和七氟醚。
關於這些物質的分子作用，我們已經瞭解了很多。除了分離性氯胺酮（低劑量時被濫用為街頭毒品，被稱為維生素K或特殊K，此處不再進一步討論）這個獨特的例外，麻醉劑透過啟用抑制性化學突觸來加強神經元抑制，這些突觸限制了與其連線的神經元中的活動，或者透過與膜蛋白結合來抑制神經元的電活動——以及因此它們傳遞資訊和命令的能力。它們的淨效應是降低整體腦活動。迄今為止進行的每一項功能性腦成像研究都證明了這一點。對於麻醉師來說，首選技術是正電子發射斷層掃描（PET），其中少量放射性示蹤劑被注射到受試者的血液中。比鄰近區域活動更多或更少的腦區以相同的比例消耗代謝資源。這種代謝活動可以在PET裝置中可靠地測量，儘管時間解析度（秒的數量級）和空間解析度（豌豆大小的數量級）都很粗糙。
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PET成像表明，基本上所有麻醉劑都以劑量依賴性方式降低全域性腦代謝。麻醉劑劑量越多，負責促進覺醒的腦幹區域以及新皮層和與其緊密相關的下方的丘腦的活動減少幅度就越大。新皮層是大腦皮層最近進化的部分，大腦皮層是構成眾所周知的灰質的神經元摺疊層。它佔據了大部分前腦，是哺乳動物獨有的標誌。丘腦是位於大腦中間的鵪鶉蛋大小的結構，它調節所有進入新皮層的輸入，並接收來自新皮層的大量反饋。
皮層關閉，意識關閉
意識喪失後大腦活動的這種顯著減少幾乎不足為奇。“沒有大腦：別介意！”這句諺語表達了意識與這個器官之間的緊密聯絡。然而，神經科學家正在嘗試追蹤意識的足跡到它的實際巢穴。皮層、丘腦或其他哪個區域對於保持意識至關重要？考慮以下兩個實驗。
在法國馬賽地中海大學蒂莫內大學醫院中心的弗朗索瓦·古因領導的小組的監測下，25名帕金森病患者接受了丙泊酚或七氟醚麻醉，同時監測了皮層和丘腦的電活動。他們的新皮層透過放置在頭部頂部的頭皮上的常規腦電圖（EEG）電極進行監測，而丘腦活動則透過植入大腦深處丘腦底核內的電極記錄。該電極刺激大腦以減輕帕金森病標誌性的震顫。實驗人員透過拍打患者的肩膀並每隔20秒要求他們睜開眼睛來評估意識。
當麻醉開始後意識喪失時——也就是說，當患者不再按照指令睜開眼睛時——皮層腦電圖發生了顯著變化，從低振幅和不規則活動轉變為以大約每秒一次發生的大而慢的腦電波為主的讀數。這種所謂的δ波段活動是深度睡眠的特徵。此外，當患者停止反應時，皮層腦電圖訊號的複雜性顯著降低。在意識喪失時，丘腦電極中沒有發生這些變化。
事實上，丘腦電壓訊號僅在幾分鐘後才與皮層相匹配。資料——對於兩種截然不同的麻醉劑（一種注射，另一種吸入）都是一致的——表明意識喪失的驅動因素是新皮層的一部分（或全部），而丘腦是跟隨者。
從遺忘中返回
在第二個實驗中，由主要位於芬蘭圖爾庫大學的小組進行，包括哈里·舍寧、雅科·W·朗斯約和邁克爾·T·阿爾基爾，20名志願者被兩種不同的物質——右美託咪定和丙泊酚（再次，以確保結果不依賴於任何一種特定的藥物）麻醉。在注射放射性示蹤劑後，受試者躺在PET掃描器內。當患者恢復意識時——也就是說，當受試者可以再次睜開眼睛以響應持續的指令（儘管每五分鐘只給一次）時，麻醉師測量了區域性腦血流量。
隨後的統計分析指出，腦幹中系統發育上更古老的區域（特別是藍斑和臂旁區，其中包含去甲腎上腺素能神經元，這些神經元廣泛投射到整個皮質丘腦複合體，並對大腦產生廣泛的影響）。它們介導了行為反應（例如眨眼）發生所需的喚醒。隨著意識的恢復，丘腦異常活躍，而皮層則顯示出更加侷限的反應，主要是在那些負責自我監控的額葉區域。
皮層和丘腦的聯合啟用似乎與之前的研究相矛盾，之前的研究表明皮層是驅動者，而丘腦是跟隨者。然而，這兩種技術（腦電圖與PET成像）測量的是不同的訊號（電壓與血流量，血流量慢1000倍），再加上第一個研究每20秒檢查一次患者是否清醒，而第二個研究僅每五分鐘詢問一次。
此外，儘管意識在麻醉期間時而清醒時而消退，但許多其他過程——大腦的整體喚醒水平、移動和記憶能力、疼痛和其他感覺的體驗等等，每個過程都有其自身的神經元特徵——也會發生變化，並混淆對意識來源的尋找。最後，正如啟動計算機的操作順序與關機時的操作順序不同一樣，伴隨意識恢復的大腦事件不太可能與導致意識停止的大腦事件相同。
這兩項示例性研究指出了揭開身心之謎的探索的困難，但也指出了進展。