意识的水平

一、唤醒与觉醒

意识水平与唤醒（arousal）水平相关。人们在集中注意能力去确定意识内容时，也要依赖唤醒水平。

觉醒状态（wakefulness）分为行为和脑电的唤醒，行为唤醒表现为对新异刺激有探究行为；脑电唤醒是脑电图呈现去同步化快波（频率快，电压低）。

动物研究发现，有许多皮质下结构在觉醒状态的维持中起作用。位于脑干、基底前脑及下丘脑后部的多重上行激动系统（multiple ascending activating system）通过对丘脑和（或）大脑皮质促进和维持觉醒。如脑干网状结构的ACh能功能，起短暂的时相性作用，主要调制蓝斑上部的NE递质系统，而NE则起唤起脑电觉醒的紧张性作用。此外，大脑皮质的感觉运动区、额叶、眶回、扣带回、颞上回、海马、杏仁核、下丘脑等脑区也可通过下行纤维兴奋网状结构。静脉注射阿托品阻滞脑干网状结构上行激动系统的胆碱能传递，可使脑电同步化，但行为上不表现睡眠。因为行为觉醒维持与黑质（DA能）有关，单毁黑质，行为上不能表现觉醒，但脑电去同步化。

近年的研究发现，结节乳头核（tuberomammillary nucleus，TMN）神经元构成的组胺能上行觉醒系统，在觉醒期间活动持续性高涨，慢波睡眠（SWS）期间活动减少，快眼动睡眠（REMS）期间停止放电。反之，腹外侧视前区（ventrolateral preoptic area，VLPO）神经元在清醒时放电频率较低，在REMS和非快眼动睡眠（NREMS）时增至2倍。研究证实，VLPO神经元对TMN存在着GABA能神经支配。睡眠期间下丘脑后部γ-氨基丁酸（GABA）增加；电刺激VLPO可引发GABAA受体中介的TMN神经元抑制；GABA可使TMN神经元超极化和放电频率减少；向TMN内注入GABA激动剂可使视前区毁损的动物恢复睡眠。以上研究揭示VLPO（GABA能神经元）-TMN（组胺能神经元）调控着睡眠-觉醒过程。

由于相关的核团的体积小，数量多，很难用功能成像来揭示专门与意识/唤醒的水平相关的激活，但也有些研究表明睡眠剥夺使唤醒很难维持。当要睡眠剥夺者集中注意时，丘脑、额叶皮质活动增加。这些研究提示，当内源性唤醒水平（endogenous level of arousal）太低时，脑内有某些代偿机制为注意水平提供支持；但当内在唤醒水平低时，高水平的注意是很难持久的。PET及fMRI的研究提示，丘脑-皮质系统（thalamo-cortical system）在人类注意与唤醒之间的相互作用中起重要作用。这个系统的紧张性活动也直接与觉醒期间的EEG活动有关。

研究发现，哺乳动物下丘脑可产生PGE2。向大鼠脑室或下丘脑注入PGE2明显延长觉醒，抑制SWS和REMS。有报道室旁核（PVN）和腹内侧下丘脑（VMH）参与睡眠-觉醒的调控。用放免分析方法测量PVN和VMH之间脑区的微透析液中的PGE2，发现清醒时含量最高，REMS时次之，SWS期间PGE2含量最低。睡眠期间PGE2首先降低，然后逐渐增加，直至清醒值。

专栏7-3　脑深部刺激“唤醒”最低意识状态患者

最低意识状态（mini-consciousness status，MCS）是一部分有严重意识障碍的患者既不符合昏迷，又不符合植物状态的诊断标准，表现为间断但明确的意识行为。他们可能还保存大范围的脑网络功能（通过丘脑中部细胞支持）。Schiff等（Nature.2007，448：600）通过“深部脑刺激”（deep brain stimulation，DBS）丘脑中部唤醒一例处于MCS6年的创伤患者。在治疗后的第二天，患者能转动眼睛。经过6个月的治疗，患者能坐起、进食、喝水，甚至能说一些简单的句子。）

摘自：中国医学论坛报.2007年8月16日A2

二、睡眠与梦

睡眠（sleep）是人类的基本需要，睡眠并非意识丧失，因为睡眠时脑不仅提供生动的梦境，还可加工听觉信息、巩固记忆、保持暂时联系等。因此，睡眠不仅是一种行为状态，如感觉阈值提高、姿势的特殊变化以及特征性的脑电变化，而且是一种具有加工能力的意识状态。睡眠障碍时也会涉及许多行为及意识问题。

根据睡眠时的脑电图（EEG）、肌电图（EMG）、眼电图（EOG）等的变化，发现正常的一夜睡眠是由慢波睡眠（SWS）和快眼动睡眠（REMS）两个不同时相交替的周期活动（图7-1）。

图7-1　睡眠时的EEG

引自Kalat，2004

（一）慢波睡眠

慢波睡眠（slow wave sleep，SWS），又称非快眼动（none rapid eye movement，NREM）睡眠。

1．SWS的分期　按EEG特点分4期：①Ⅰ期（入睡期）占睡眠总时间的5%，脑电特点是α波减少，β波与低幅θ波混合存在；②Ⅱ期（浅睡期）占睡眠总时间的50%，脑电出现睡眠梭波和少量δ波；③Ⅲ期（中间期）的脑电以κ复合波（睡眠梭波和δ波的复合，是睡眠梭波紧随在δ波之后或负载其上）为特征；④Ⅳ期（深睡期）的脑电以低频率（0.5～2.0Hz）、高振幅（75μV以上）的δ波为主，故又称同步化睡眠（synchronized sleep），此时觉醒阈值最高。Ⅲ、Ⅳ各占总睡眠时间的10%。

2．慢波睡眠的机制　瑞士生理学家W.R.Hess（1929）发现，用手术刀或电流触及脑的某一部分可引发睡眠现象，从而认为在间脑中间块附近存在着睡眠中枢，其神经细胞活动是导致睡眠的原因。刺激睡眠中枢，可使人或动物进入睡眠状态。每天到了一定时间，该中枢就向大脑细胞发出睡眠的命令，而使人或动物进入睡眠状态。1949年Hess因对间脑的研究而获诺贝尔奖。

基底前脑吻端被称为“前列腺素D2敏感性睡眠促进区”（PGD2-sensitive sleep-promoting zone，PGD2-SPZ）。现代研究表明，在该处的蛛网膜下腔灌注PGD2后，SWS增加，同时在VLPO有强烈的Fos表达，强度与睡眠量呈负相关。由此可见，基底前脑（PGD2受体中介的神经元）也参与睡眠-觉醒的调节，与VLOP-TMN有联系。

PGD2受体的mRNA广泛分布于软脑膜，未见于脑实质内。PGD2灌流下丘脑后部并未促进睡眠，可见PGD2并不直接抑制TMN的觉醒神经元活动。大鼠PGD2-SPZ灌注PGD2，下丘脑处的软脑膜Fos表达最为强烈。有实验提示，PGD2激动受体后，可通过诱导软脑膜细胞分泌腺苷，激活邻近的VLPO神经元，进而抑制TMN的觉醒系统，诱发和促进睡眠。

曾有研究发现5-HT与SWS相关。进一步的研究表明，只有毁损中缝系统或视前区才能引起完全性失眠，提示5-HT与视前区可能通过某些途径参与睡眠调节机制。Denoyer等的研究（1989）表明，微量注射5-HTP到视前区可使完全性失眠的猫恢复生理性睡眠，但睡眠发生的潜伏期长达40分钟，提示5-HT可能要通过从视前区到视交叉上核（SCN）间的神经网络。

在SWS期间，脑血流量及糖代谢明显降低；脑干、丘脑、眶额皮质、基底前脑、前扣带皮质、基底节及前楔叶（precuneus）等脑区有一致性特定的失活（deactivation）。SWS期间脑干、丘脑、基底前脑的失活可能与它们控制唤醒作用有关；而眶额皮质、前扣带皮质、基底节及前楔叶则否。基底节的作用可能是通过它到中脑的与觉醒相关的胆碱能神经元，对睡眠状态进行调制。基底节的失活可能是额叶及丘脑对这些核群的失调制（demodulation）。前扣带回的活性降低可能与其控制注意有关，故睡眠时对外部线索的注意丧失。前楔叶的失活也见于包括催眠、昏迷在内的其他意识状态。然而，这些脑区的详细功能尚未弄清。

3．SWS与意识　SWS时脑活性水平低，但外部刺激仍能加工。最近的fMRI研究表明，在SWS期间呈现两种不同的听刺激（喇叭声、喊被试者名字）可以引起两侧丘脑较大的激活，并有前额叶、顶叶及扣带皮质的激活。这个研究提示，外部刺激可以在睡眠期间到达一级听皮质而不引起意识体验。联合皮质的失活可阻止到达意识性察觉（awareness）所需要的进一步加工。有些功能性成像研究指出，在SWS中观察到的失活波对联合皮质的影响超过单一模式皮质。还注意到SWS期间，主要发生于一级听皮质及丘脑的中潜伏期诱发电位（middle-latency evoked potentials）明显消失。在缺乏神经诱发电位时，有一种以血氧水平依赖（blood-oxygen-level-dependent，BOLD）为标记的神经活动可以指示SWS期间，由外部刺激引起的神经活动是不同步的。BOLD标记与任何神经活动增加都有关，而诱发电位检出的只是同步的电活动。

虽然SWS期间，放电的速率及频率都趋于降低，但实验表明，在左侧杏仁及前额皮质对呼叫被试者名字的电活动要胜过单纯的喇叭声。这说明，在睡眠期间存在一种功能性网络，能够检出并易化情绪相关刺激的加工而没有意识性察觉。

（二）快眼动睡眠与梦

快眼动（rapid eye movement，REM）睡眠占总睡眠时间的20%～25%。出现于2个慢波睡眠周期之间。首次REM睡眠出现于入睡后70～90分钟，持续5～10分钟，以后每隔90分钟左右出现一次，根据总睡眠的长度，每夜4～6次。最后一次REM睡眠的时间最长，睡眠最深（唤醒阈最高）。

1．REM睡眠的特点　EEG①类似慢波睡眠Ⅰ期的低压快波，伴数分钟的阵发性眼球快速运动在，脑桥、外侧膝状体及枕叶可记录到PGO波；②脑血流量、耗氧量及温度增加；③“植物性风暴”（vegetative storm），即交感神经与副交感神经交替兴奋；④生长激素分泌减少而性腺及肾上腺皮质激素分泌增加；⑤手指和口角的轻微活动，但肌肉紧张度降低；⑥大多数从REM睡眠状态被唤醒者报告在做梦。由于这些特点就有快波睡眠（fast sleep）、去同步化睡眠（desynchronized sleep）、异相睡眠（paradoxical sleep）等称呼。

2．REM睡眠的机制　动物实验表明，REM睡眠期间可记录到脑桥-膝状体-枕叶（pontine-geniculate-occipital，PGO）波，此波源于脑桥背部，并可在面神经核、前庭神经核、三叉神经核记录到，再经动眼神经核、外侧膝状体直到视、听皮质，被称为REM的起搏器，驱动特征性的快速眼球运动，以及中耳肌的活动、肢体抽动及循环、呼吸变化。脑干的ACh神经元激活GABA通路，启动边缘系统前下部及基底前脑的功能。蓝斑周围及前庭核的下行纤维抑制延髓和脊髓的运动神经元，形成REM睡眠期间的肌肉松弛。

就脑干而言，中缝核尾侧的5-HT触发蓝斑尾侧的NE能神经元及低位脑干被盖部的ACh能神经元而引起REM睡眠。

在REM睡眠期间，丘脑-皮质系统高度活跃，如同清醒时一样。在功能上，REM睡眠期间的特征是需要高能量与高血流量。PET研究指出，中-桥被盖（meso-pontine tegmentum）在REM睡眠期间激活，符合该区有REM-启动（REM-ON）细胞的动物实验。REM睡眠期间比SWS时更活跃的脑区还有丘脑核，边缘及旁边缘区、杏仁复合体、海马结构、前扣带回以及颞-枕区后部的皮质也都激活。反之，背外侧前额及顶叶皮质以及后扣带回、前楔叶则激活最小。

3．REM与梦　在REM睡眠期间被喊醒者，90%～95%（过去说85%）均报告在做梦。梦是以生动的幻想意象为特征，通常是在视觉范围及运动的幻觉。在SWS中被唤醒的人，只有5%～10%报告有感觉和运动，而且所描述的体验强度大为降低。因此，Portas等（2004）认为：“虽然有时在REM睡眠期以外被唤醒者偶有报告的，但这可能是思维，而缺乏梦的生动性质。”

做梦也与清醒意识一样具有精神性表象，不同的是做梦者除了在觉醒的瞬间之外，没有洞察力（insight），并且认为梦境都是真的。还有一点是梦的记忆迅速衰减并消失，除非醒后立即复述。一般在REM睡眠终止后5分钟醒来，就不会报告做梦。估计这是对95%的梦境发生失忆（amnesia）。

REM睡眠期间，杏仁核的作用常与出现在梦境中的情绪与应激相关。恐惧性情绪频繁出现在梦境明显多于清醒时。

REM睡眠期间，海马活性增加与记忆巩固有关。在睡眠/清醒状态的神经化学（尤其是海马中的胆碱能改变）可能是睡眠调制特异性细胞突触交往参与海马依赖性记忆储存。研究发现，最近的体验（由系列反应时作业成绩引起的脑区活动）可影响随后REM睡眠期间的脑活动类型，即当晚REM睡眠期间再激活（reactivation）的脑区与作业时一致，而睡眠剥夺可干扰这种学习，提示这种再激活可能与作业后的记忆巩固有关。

REM睡眠期间枕叶皮质的激活可能与梦中体验到的生动视觉意象有关。这种激活与额、顶联合皮质的失活结合起来可以说明梦境的下列特征：缺乏洞察力，时间知觉的扭曲以及醒来时的失忆。

关于梦的研究有很悠久的历史，存在各种学说。

专栏7-4　梦的研究

（一）Frued的释梦理论（Froom）

1．梦的意义是满足愿望以维持精神平衡。

2．被压抑愿望（本能的欲望、情感、意念受自我压抑不能进入意识）的变形满足（睡眠时自我的压抑放松，这些受抑愿望为瞒过自我而伪装变形），这就是“显梦内容”，其真实含义并非“一目了然”，故需释梦（从中解释隐梦内客）。

3．梦境材料源于3方面：①日间生活残迹（支离破碎，本人也弄不清）；②睡眠中内、外感受器刺激；③已“遗忘”的童年体验。Freud一位同事一直梦见一头黄狮，颇为不解。一次清理旧物，发现一只瓷器黄狮，母亲告知为儿时心爱玩物，但本人已毫无印象。

（二）Cartwright的解释（1977）

1．根据大脑偏侧化学说。

2．梦境以视觉形象为主的非言语体验，应属于非优势半球的活动。

3．梦境是要用优势半球的言语功能去解释和翻译非优势半球的形象梦境。

4．据说裂脑手术后，梦境消失，因为胼胝体离断后，做梦的半球得不到解释，会解释的半球得不到形象信息。

（三）万文鹏的调查

在西双版纳基诺山寨调查发现，基诺人对梦境回忆能力极强，因为他们每遇大事待决时，就要家主祈梦确定，往往能祈梦得梦。

例如，要盖房择地，如梦见打得野兽，敲打竹筒进寨则“主凶”，就要另择地基；如梦见死人，装棺入土则“主吉”，就兴高采烈地搭盖竹楼。

（四）梦的生物学观

1．激活-合成假说（activation-synthesis hypothesis）　梦始于脑桥的PGO波，它激活许多（不是全部）皮质，皮质将这些输入与已经存在的其他活动（既往经历）结合起来进行解释，并尽量完善地合成一个故事（Hobson等，1977，2000）。因为V1及一级躯体感觉区被抑制，正常的感觉信息不能与自发的刺激竞争，就引起梦幻的知觉（Ress等，2002）。来自脑桥的输入常激活杏仁，因此梦境有强烈的情绪内容。由于PGO波期间，前额皮质失活，梦境易忘。

对激活-合成假说的质疑与解释如下。

问1：人在睡觉时都是平卧，不像休闲时摆出的随意性姿势，如何来解释梦境中的上天入地（空间运动）?

答：是脑处在部分唤醒状态，将前庭器官传入的信息解释为上、下的梦境。

问2：脑桥受损者虽无REM的典型特征，却仍有梦（Solms，1997），如何解释？有人因此提出，脑桥不是梦所必需。

答：这些人的脑桥并非广泛损伤。因为，脑桥广泛损伤者，将是瘫痪，或永久丧失意识，或死亡（Hobson等，2000）。当脑桥部分受损时仍有梦者，可能是做梦部分的脑桥仍然存活。

问3：大多数人都做过“想动又动不了”的梦，如何解释?

答：REM睡眠时，主要的姿势肌肉是处在瘫痪状态的。有人批评此学说的表述比较模糊。因为①如果说梦境中从空中掉下来是平躺时的前庭感觉，为什么不是经常梦到掉下来？②如果不能动是肌肉瘫痪，为什么不梦到瘫痪呢?

2．临床-解剖学假说（clinico-anatomical hypothesis）　与前一学说类似，也认为梦是脑被感觉刺激唤醒，并结合最近的记忆。不同处在于此说不太强调脑桥、PGO波或REMS，而认为梦是一种在不寻常时刻发生的思维。由于脑从感觉器官没有得到多少信息，所以可以不受限制或干扰地自由产生形象。又因一级运动皮质受抑，脊髓运动神经元失活，所以唤起不会导致动作。对工作记忆有重要作用的前额皮质的活动受抑，因此梦境的奇异性没有及时的批评。因为工作记忆的主要功能是“运用知识”（学以致用，即将习得的知识从记忆中提出，及时判断当前的事件），同时顶叶下部的活动相对活跃，这是视觉空间知觉的重要部分（视觉背侧径路）。这一脑区受损，则视觉对躯体感觉的整合出现障碍，这些病人就没有梦。高活性在一级视皮质（V1）以外也可见到。这些区域可能对大多数梦中伴随的视觉形象起关键作用。最后，下丘脑、杏仁以及其他对情绪、动机重要的区域活动增高。人们从梦中醒来常报告欢乐、惊诧、愤怒或焦虑等情绪（Fosse等，2001）。

3．梦的现代生理心理观　Kalat（2004）将上述两种假说的内容归纳为如下观点：主要是内、外刺激信息激活部分顶、枕、颞叶皮质，没有来自V1区的感觉信息去压倒这些刺激，也没有来自前额皮质“监督”它们的批评，因而发展成为幻觉性的知觉（hallucinatory perceptions）。但他也指出，这种观点也像第一种假说一样，难以检测，因为它无法对何人、在何时、做何种梦作出判断。

（三）睡眠周期

在正常睡眠周期中，睡眠时相交替出现，其持续时间及比率除个体差异外，还随年龄增长而变化。

1．快波睡眠随年龄增长而减少　新生儿占总量的50%（早产儿可达75%）；至5～6岁时约占睡眠总量的25%；成人约占20%。

2．慢波睡眠　成人约占整个睡眠的75%；进入老年期后，减少至14%，Ⅲ、Ⅳ期显著减少。

3．睡眠时相转换　年轻人潜伏期短，进入睡眠后很快由第Ⅰ、Ⅱ期转入Ⅲ、Ⅳ期深睡眠，且维持时间长，故不易被吵醒。随着年龄增长，由清醒进入睡眠的潜伏期延长，Ⅲ、Ⅳ期减少，停留在浅睡眠阶段（Ⅱ期）时间较长，容易惊醒。

三、意识的异常状态

（一）催眠与冥想

催眠（hypnosis）是一种以注意狭窄、对暗示的接受增加为特征的意识状态的改变。这种状态称为恍惚（trance）。当被试者进入恍惚状态，对外环境的觉知减弱，注意力集中到催眠师的暗示。此时，催眠师可以用不同的方法改变被试者的知觉或行为。

恍惚状态至少有两个标记：一个是普遍的现实定向减退（generalized reality orientation fading），用来描述对外部现实的曲解。当它发生时，被试者有极高的“内部现实”（inner reality），想像力与知觉以及对现实的体验都要比白日梦来得生动；另一种标记是恍惚逻辑（trance logic）的操作，即对不一致的、不合逻辑的事件不加批评地接受，也不会被这种不可能性影响。催眠师还可能给出催眠后暗示（posthypnotic suggestion）。这是一种在离开催眠状态后发生知觉、心境或行为改变的特定的暗示。这种暗示可以由他人给予，也可自我给予（参见第60章）。

冥想（meditation）是一种多源性的改变意识状态的方式，与催眠的相同处是都要专注某一特定信号。催眠专注的是催眠师的语言暗示，而冥想是通过自我专注环境中某一事物（一枝花或一种称为“mandala”的几何构型）和节律性的躯体活动（如呼吸）或反复背诵一些短语、经文（如“南无阿弥陀佛”等）。两者不同处在于催眠是使被试者的意识顺着催眠师的暗示活动；而冥想是通过被试者自身的专注的操作将意识状态引向宁静（自我觉知的消失）。各种方式的冥想中，有不同的术语来表达其目标状态，如“得气”（气功）、“入静”（佛教）等；其引导的方式也都形成固定的程式，如“眼观鼻准，意守丹田”；而呼吸调整几乎都是一致的腹式深呼吸。坚持锻炼，可以进入到“物我两忘”的意识状态。

其实冥想也可以将自我觉知引向积极方面，而作为一种心理治疗方法。如放射肿瘤治疗家Simontons博士及其夫人（心理治疗家）曾用聆听录音带的冥想疗法和绘画来引导患者的意识（想像力）进入积极状态，收到良效。

（二）昏迷、植物状态、微意识状态

SWS并非是脑仍处于活跃而缺乏意识的唯一状态，如某些脑损伤的患者可以处于昏迷（coma）或植物状态（vegetative state，VS）。在这些情况下，患者完全缺乏意识状态。多年来的脑成像研究已获得了一定临床意义，并为诊断、预后及患者的处理提供有用的信息。

昏迷是由严重脑损伤（创伤性或非创伤性）累及脑干及间脑的上行激动系统或严重损坏两侧半球时引起的意识障碍。按定义论，昏迷病人是不能被唤醒的，因为他们的警戒状态（state of vigilance）被破坏了。

“植物状态”这个术语是Jenuet及Plum（1972）提出的，指的是患者昏迷数天或几周后，脑干及间脑结构的活性恢复，临床上可观察到一些唤醒的征象，患者进一步还可有些醒、睡周期，但皮质功能却严重恶化，不能检出可靠的体征。VS患者有点觉知的表现，但仍然不能觉知外部世界。

微意识状态（minimally conscious state，MCS）的患者不再是昏迷或VS，但是仍然有严重的的功能缺失，他们不能可靠地跟随训练，不会交往，而且不能觉知与环境一致的行为。他们可以跟随训练几分钟，接着一次失误，又回到明显的不知晓状态。

（徐　斌）