麻醉状态下人类海马体的可塑性与语言处理

《Nature》：Plasticity and language in the anaesthetized human hippocampus

　　

意识是认知的基本组成部分1，但高阶模式识别在多大程度上依赖于意识仍存在争议2,3。在此，研究人员展示了在全身麻醉诱导的失神状态4,5下，个体仍保留了异常刺激辨别、语义处理和在线预测能力。利用高密度Neuropixels微电极6在播放一系列音调给麻醉患者时记录人类海马体中的单单元(single?unit)和局部场电位(local?field?potential, LFP)神经活动，研究人员发现海马神经元和局部振荡保留了部分异常音调的检测能力。这种效应量随实验进程（约10?分钟）增长，证明了表征可塑性(representational plasticity)。一个生物合理的递归神经网络(recurrent neural network, RNN)模型显示，学习和异常刺激表征是灵活音调辨别的涌现特性。此外，当播放语言刺激时，单单元和局部场电位携带了自然语音的语义和语法特征信息，甚至能预测即将出现词语的语义信息。这些结果共同表明，在海马体中——一个在解剖和功能上均远离初级感觉皮层7的区域——即使在无意识状态下也能发生复杂的感觉刺激处理。

论文解读

研究背景与立项依据

意识在认知处理中的作用机制是认知神经科学的核心议题。尽管主流理论认为复杂的模式识别、语义解析和预测处理通常需要意识参与，尤其是涉及跨时间尺度整合或超越即时感觉特征的抽象计算时^8,9，但心理学和神经科学领域的证据提示，在无意识状态下仍可能发生包括知觉辨别和统计学习在内的实质性处理过程^10,11。全身麻醉提供了一个可逆且特征明确的无意识模型⁵，虽然此前研究报道了麻醉状态下早期皮层区域的残余感觉反应⁴，但在远离感觉受体的高级脑区（如海马体）是否保留复杂的信息处理能力尚不清楚。本研究旨在填补这一空白，探究在无意识状态下，海马体是否仍能执行高阶的感觉整合与语言处理任务。

研究方法概述

研究人员对七名接受前颞叶切除术的患者进行了术中海马体记录，使用Neuropixels探针⁶采集数据。实验设计分为两部分：一是向三名患者播放纯音序列以进行异常刺激检测任务；二是向四名患者播放播客音频以评估语言处理能力。数据分析结合了广义线性混合效应模型(GLME)、支持向量机(SVM)解码以及相位?振幅耦合分析。此外，研究还构建了一个连续速率递归神经网络(RNN)模型，以模拟和验证生物学机制。

研究结果

实验设计

研究人员成功在七名患者的海马体前部植入Neuropixels探针，共分离出651个单元，平均放电率较低(1.8?±?1.1?Hz)。得益于海马体位于颅底中窝并由硬脑膜锚定，其运动伪影显著低于皮层记录，保证了数据的稳定性。

麻醉期间的听觉监测

在异常刺激辨别任务中，大多数单元(n?=?122/172, 70.9%)显示出音调诱发反应，且反应潜伏期呈双相时间动态。单单元和群体水平均能对标准音调与异常音调进行区分(P?<?0.0001, GLME)，这种差异在前300?ms最为显著。局部场电位(LFP)亦表现出异常刺激诱发的负向偏转及伽马振幅增加。通过十折交叉验证的支持向量机(SVM)解码显示，在群体水平上，音调身份和异常刺激身份均可被稳健解码，尽管异常刺激信号强度弱于音调身份。

无意识状态下的可塑性

研究人员观察到异常刺激反应随实验进程逐渐增强。将任务分为前后两半进行分析，发现两名患者的异常刺激编码显著增加(p5, P?=?0.01; p6, P?<?0.001)，同时音调身份编码有所下降，提示神经群体可能牺牲了对音调的反应以换取对异常刺激的表征。利用欧几里得距离和余弦角度分析神经向量，结果表明这种变化不仅仅是增益调制(gain modulation)，而是神经群体响应流形(neural population response manifold)在高维空间中的旋转。RNN模型模拟显示，即便仅训练音调辨别，模型也能自发产生异常刺激上下文分类能力，且抑制性连接(E?I, I?I)对于维持这种表征至关重要。

无意识海马体中的语言

在四名患者的语言任务中，研究人员发现单个神经元放电率与词语的词频显著相关。更重要的是，研究人员利用语义嵌入(semantic embeddings)模型分析发现，可以根据单词的语义相似性预测神经元的放电率，且在仅使用唯一单词(unique words)的分析中结果依然成立。约85.6%的单元表现出语义类别选择性，并能同时编码多个语义类别和部分词性(part of speech)。SVM解码证实，在麻醉状态下，语义和句法信息均可实时解码。此外，神经反应不仅对应于先前词语的语义特征（短期记忆），还能预测未来词语的语义信息，且放电率受惊讶度(surprisal)调控，表明无意识的海马体参与了语言的上下文整合与预测加工。

讨论与结论

本研究揭示了在麻醉诱导的无意识状态下，人类海马体保留了神经可塑性和语义处理的标志。研究结果不支持仅基于低水平感觉反应或适应/重复抑制效应的解释，因为异常刺激检测的长时间尺度增长和语音语义处理均需特定的感觉信息整合。这些发现证实了动物和人类研究中关于麻醉期间感觉刺激（包括异常刺激）神经反应得以保留的观点，并将其扩展到数分钟尺度的变化、与生物计算模型的关联以及超越听觉处理层面的语言信息可用性。本研究的意义在于，它表明清醒状态下的语义反应及其上下文整合可以在缺乏意识的情况下发生，这为既往关于麻醉后隐性记忆(implicit memory)的报告提供了潜在的神经基础。此外，结果挑战了传统观念，即作为解剖学上远离输入输出的区域，海马体在无意识时输入衰减最严重。研究提示，意识的缺失可能不在于局部神经元活动的丧失，而在于跨区域协调、全局信号传播或递归处理过程的受损。