Trends in Neurosci最新观点: 在争议中前行！前额叶皮质作为觉醒环路的关键节点
前额叶皮质（PFC）在意识机制中的作用备受争议。大部分的理论和实验研究都针对于其对于意识内容的作用（即意识体验定性的方面），然而近年来的研究显示，PFC除了对认知十分重要以外，它也是意识水平（大脑总体的清醒状态）调节的重要因素。
George M教授团队总结了近年来的研究，并将其成果Prefrontal cortex as a key node in arousal circuitry于2022年8月发表于Trends in Neurosciences 杂志。
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1.内侧PFC(mPFC)的神经解剖位置支持它可能是觉醒环路的关键节点
虽然对PFC的定义缺乏一致的跨种族的共识，但是mPFC（包括前扣带回、缘前区、缘后区）在啮齿类动物和非人灵长类中是非常相似的。它们都是非颗粒性的（缺乏IV层的输入），接受来自丘脑背内侧的输入纤维。此外，在功能方面，静息态核磁共振（MRI）研究显示啮齿类、灵长类以及人类的mPFC的功能结构非常一致。
重要的是，由于PFC与皮层下的唤醒相关核团，即血清素能中缝背核(DR)、去甲肾上腺素能蓝斑核（LC）、胆碱能系统基底前脑（BFCS）以及多巴胺能腹侧背盖区（VTA），有着广泛的联系，所以有理由推测在多种族中功能和结构一致的mPFC参与了觉醒的环路（图1）。
图1.PFC与脑干唤醒核的相互连接
不像睡眠或者抑郁性苏醒，全身麻醉是高度可控以及可复制的，因此麻醉状态转换成为了研究意识水平的绝佳模型。从麻醉导致的无意识状态苏醒需要脑干（多个觉醒相关核团）、丘脑以及皮层的双向交流的恢复，同时也需要恢复皮层和皮层下的交流。
PFC除了与多个觉醒促进核团有双向交流以外，还投射纤维到孤束核（NTS）以及纹状体，前者可以促进交感反射（血压/心率的上升）的恢复，后者可以间接影响上行回路。
研究显示，在麻醉期间，将卡巴可（胆碱能激动剂）或者去甲肾上腺素注射到大鼠mPFC中会导致大鼠清醒，但注射到顶叶则不会出现上述现象。后来在睡眠-觉醒实验中，也重复观察到了这种现象。逆向实验，即用河豚毒素（TTX）失活mPFC后，发现全麻大鼠的意识恢复延迟，这种现象在顶叶中未被发现（图2）。
图2.PFC失活使得大鼠全麻状态苏醒延迟
上述实验说明了mPFC可能在觉醒中起这关键的门控作用。此外，其他研究也显示PFC在早期参与意识的恢复。在一项健康成年人研究中，使他们进入深度麻醉3小时，之后等待其自行苏醒，同时监测他们的脑电图（EEG），发现在恢复意识的早期阶段（Pre-ROC），PFC的排列熵（PE，代表信息处理）要高于闭眼（EC）状态下的基线水平，且与后皮质相当或是更高（图3）。
在这项研究中，受试者恢复意识后的第一个认知功能是主要由PFC介导的。其他脑损伤的患者数据也支持了上述结论。丙泊酚/七氟烷诱导的麻醉状态下PFC的EEG显示为连贯的α振荡（10Hz）以及慢振荡。在进入麻醉时，这种振荡会从枕叶移动到额叶，在麻醉复苏时，这种振荡会从额叶移向枕叶。
后续的计算机模型以及研究显示，这种振荡最可能表示的是额叶皮质和丘脑之间的偶联。上述结果证实了PFC在觉醒中的重要作用，然要需要注意的是，在很多其他实验中，也证实了大脑后皮质在觉醒中的作用。
图3.PFC在早期参与人类深度麻醉后的意识恢复
结 论
PFC的神经解剖位置以及近年来不断增加的研究证据显示，PFC可能是影响觉醒的重要因素，然后还需要后续更多的实验来证明和区别它和后皮质在觉醒中的作用。
参考文献
George M, et al. Prefrontal cortex as a key node in arousal circuitry. Trends in Neurosciences, 2022. DOI: 10.1016/j.tins.2022.07.002.
编译作者：KK（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）