意识障碍是指患者因严重脑损伤导致意识长期丧失或严重受损，严重的患者被俗称为“植物人”。我国有约一百万的意识障碍患者，每年新增5-10万，给患者、家庭和社会带来严重影响。这类疾病的病因极其复杂，包括脑外伤、脑卒中、脑缺血缺氧等多种因素，损伤程度和位置各异，患者预后差异巨大。长期以来，科学界一直在探索：如此异质性的疾病背后，是否存在统一的恢复机制？这一问题的答案对于寻找更加有效的治疗手段具有关键意义。

概念示意视频——丘脑节律的两种活动模式

（图片来源：陈琦）

研究团队通过分析23例接受深部脑刺激治疗的意识障碍患者的微电极记录数据，运用人工智能技术深入挖掘大脑“意识开关”——丘脑的神经活动模式。这些患者的脑结构相对完整，包含创伤（6例）、脑干出血（8例）和缺氧（9例）三种主要病因（图1a）。通过提取中央丘脑的神经元放电和多单元活动（MUA）两种信号模态（图1b），研究者从34个电生理特征中筛选出4个关键特征（图1c），构建了与患者一年后意识恢复情况高度相关的统一神经度量。这4个特征分别为：theta节律功率（pow-θ），反映节律的强度；theta节律的稳定性（stab-θ），反映节律的稳定程度，gamma频段同步性（sync-γ），反映神经元放电与群体活动的同步性；以及high-gamma节律的稳定性（stab-hγ）。通过机器学习模型，这个基于丘脑的统一度量实现了对23例患者的个体化预后分类（图1d-f）。研究显示，该度量指标对不同病因、不同年龄、不同严重程度的患者均具有良好的预后判断能力。这一发现意味着，尽管意识障碍的病因和临床表现千差万别，但其恢复过程受到一个共同的神经机制的影响。

Fig. 1: Individualized prognosis for DoC using CeTh features.

基于构建的统一度量，研究为长期积累的临床经验提供了神经机制解释（图2）。意识障碍患者包括植物状态（VS/UWS）与微小意识状态（MCS）患者，其中MCS按是否具有关键的语言处理相关功能进一步区分为MCS+与MCS-。MCS-患者比UWS患者恢复率更高（75% vs 13.3%），年轻患者（≤40岁）比年长患者的恢复率更高，这些临床经验都与丘脑度量值的分数直接相关（图2a-b）。可能受限于患者数量，病因与丘脑度量值尚不具有统计显著性，但外伤患者的丘脑度量显示出更高的趋势，这也与外伤患者恢复率更高的经验一致（图2c）。有趣的是，不同病因患者的theta节律功率存在显著差异（图2d）：脑干出血患者最高，创伤患者次之，缺氧患者最低。这可能源于脑干出血患者的丘脑-皮层连接完整性保存较好，外伤患者（本研究中纳入患者均伴随弥漫性轴索损伤）常伴随丘脑-皮层白质连接损伤，但可能依然残留部分的神经元传入，而缺氧患者常伴随丘脑-皮层灰质受损（神经元受损），继而导致难以响应性兴奋性输入。通过患者间的相似性分析（图2e-f），研究者发现不能恢复（unCR）组的患者表现相对一致，但是能恢复（CR）组患者的内部异质性较大，这提示可能存在多种能意识恢复的患者亚型。维恩图分析（图2g-h）进一步显示，恢复患者通常多个特征同时表现良好，而非恢复患者往往只有单一特征活跃。

Fig. 2: CeTh neurophysiological features associated with DoC prognosis.

通过无监督聚类分析，研究识别出三个具有不同丘脑活动模式的患者亚组（图3a-b）：

● 亚组I：所有4个丘脑活动特征均表现较弱（图3c），全部为UWS患者，无一例恢复。这类患者的恢复概率很低，其丘脑活动普遍较为沉寂。

● 亚组II：具有较高的theta节律功率和gamma频段同步性（图3d），77.8%为MCS-的患者，55.6%在一年后实现意识恢复。这些患者有更好的诊断水平，且具有意识恢复的潜力。

● 亚组III：具有较高的theta节律稳定性和high-gamma节律稳定性（图3e），虽然75%为UWS患者，却意外显示出恢复潜力。这可能代表了一类“隐匿恢复者”——临床表现不佳但保留恢复的“火种”。这一发现与近年来国际上报道的“认知运动分离”、“隐匿意识”现象类似，未来有希望能更精准地识别这些具有恢复潜力但被常规评估遗漏的患者，并为他们提供针对性治疗。

Fig. 3: CeTh-based subgrouping of DoC patients and their implications for consciousness states.

在实证研究发现的四个特征中，分析发现最关键的前两个特征都是theta节律的特征（功率与稳定性），且这两者分别是亚组II与亚组III各自的典型特征。为理解意识障碍患者theta节律的产生机制，研究者构建了由中央丘脑（CeTh）、丘脑网状核（TRN）和特异性中继核（SR）组成的神经网络模型（图4a-b）。通过调节神经元的静息膜电位和传入设置等意识障碍相关的关键参数（图4c），模型成功模拟了健康与不同程度受损下神经元残留的传入活动，及对应的丘脑动力学变化规律。

仿真研究揭示了关键发现：意识障碍的theta节律源于受损神经元依然残留部分兴奋性输入，接着依据网络内多核团之间的兴奋抑制交互作用，激活T型钙离子通道介导的低阈值爆发（LTB）机制（图4g）。相比之下，完全受损状态下的神经元无明显放电活动，而健康静息对照下的神经元表现为正常的强直（tonic）放电模式，这二者均不会产生显著的theta节律活动。研究为丘脑神经元的活动模式定义了四个阶段（图4h）：阶段I为完全去传入的静默状态，阶段II为传入部分恢复但无明显节律的状态，阶段III为theta节律状态，阶段IV为完全恢复的强直放电状态。该丘脑活动的四个阶段对应于现有国际主流的“ABCD”意识分级理论（A-D分别代表从昏迷到正常意识的四个水平），为其提供了关键证据。有趣的是，theta节律在去传入恢复的过程中呈现出倒U型曲线的变化规律（图4i）——先增强后减弱，这与从极深度麻醉中恢复的表现相似。

Fig. 4: Network simulation of neural dynamics underlying theta rhythms in CeTh.

研究团队通过构建神经网络模型，模拟了意识损伤与恢复的脑网络活动，深入探索了意识恢复的神经机制。研究发现，意识恢复可能存在两条不同的神经动力学路径（图5）。模型显示，系统地调节神经元传入输入的强度（affMag）和稳定性（affStab）两个参数，分别影响theta节律的幅值（功率）与稳定性。如果先恢复神经元接收到输入的强度，会首先恢复theta节律的功率（图5b），对应亚组II患者的典型特征；如果先恢复神经元接收到的输入的稳定性，会首先恢复theta节律的稳定性（图5d），对应亚组III的典型特征。研究者发现这两条路径最终都能从阶段II达到阶段III，但经历的中间状态不同：路径1（mode A）先恢复强度，后恢复稳定性； 路径2（mode B）先恢复稳定性，后恢复强度（图5f）。该发现扩展了“ABCD”意识分级理论，提出从B到C存在两条恢复路径。这也为理解为何临床表现相似的患者会有不同恢复轨迹提供了新见解。

有意思的是，本研究揭示的意识障碍恢复机制，与以前研究中发现的麻醉、睡眠等意识状态的切换过程具有高度的相似性，提示不同类型的意识改变可能遵循统一的神经变化规律。

Fig. 5: Two modes of neural dynamics underlying DoC recovery.

该研究架起从基础神经科学到临床应用的桥梁，通过整合临床数据、颅内电生理记录、机器学习和仿真计算等手段，不仅为高度异质性的意识障碍恢复找到统一的度量标准，更为发展临床个体化治疗策略提供了科学依据。研究团队正在更大样本中验证这些生物标志物，开发个体化预后预测工具，探索基于亚型的精准治疗策略。

该研究发现的临床意义在于：

（1）揭示了意识恢复的关键神经标志物——丘脑的theta节律（4-8Hz）活动模式；

（2）发现了基于丘脑活动模式的统一度量，为患者预后的临床经验提供了直接的电生理证据；

（3）识别出意识障碍的三种亚型，两种亚型的患者具有恢复潜力，且其中一类是意外发现的"隐匿恢复者"；

（4）为未来根据患者亚型开展分型治疗、优化个体化治疗参数、加速新药筛选提供了指导。

该研究的理论意义在于：

（1）通过贯通"离子通道-膜电位-神经振荡-意识水平"的跨尺度研究，揭示了意识障碍的统一恢复机制；

（2）为国际主流的“ABCD”意识分级理论提供关键证据并进行扩展；

（3）为Brown-Lydic-Schiff关于药理（麻醉）、病理（意识障碍）和生理（睡眠）的统一意识机制（New England Journal of Medicine, 2010）的假说提供了一直缺少的来自意识障碍的关键证据。

基于丘脑神经振荡的统一度量，临床医生有望能够更准确地评估患者预后，并制定个体化治疗方案。对于具有不同丘脑活动特征的患者类型，未来可以采取针对性的神经调控策略，提高治疗效果。同时，研究者们也正致力于开发非侵入式检测工具，旨在通过高密度脑电图等手段，无创评估丘脑活动状态，并基于人工智能技术构建预后预测系统，惠及更多意识障碍患者。

何江弘主任在查看患者影像（图片来源：北京天坛医院）

研究整体示意图

概念示意图（图片来源：陈琦）

原文链接：Zhang H, Ge Q, Liu X, et al. A shared central thalamus mechanism underlying diverse recoveries in disorders of consciousness. Nature Communications. 2025;16:10400. DOI: 10.1038/s41467-025-65360-4