日本國立研究開發法人理化學研究所（簡稱理研）腦神經科學研究中心的岡野榮之團隊負責人、東京都立大學研究生院人類健康科學研究科的畑純一副教授、牟田佳那子特任助教等人組成的國際聯合研究團隊，發現從人類到線蟲6種生物麻醉狀態下共有的神經動態特徵。這一發現有望為理解麻醉導致大腦對外界刺激反應減弱時的腦狀態提供線索，並揭示跨越不同物種的共同原理。相關論文已發表於《Nature Neuroscience》。
圖1 麻醉會縮短內在神經的時間尺度（圖片提供：理化學研究所）
全部6個物種在麻醉狀態下，內在神經時間尺度均發生了縮短。
上述國際聯合研究團隊利用可一次性調查神經活動時間序列數千種特徵的動態表型解析方法，進行了跨物種、麻醉藥物和測量方法的比較。
解析對象為人、獼猴和狨猴、小鼠、斑馬魚、線蟲6個物種。4種哺乳動物（人、獼猴、狨猴、小鼠）使用了功能性磁振造影（fMRI），斑馬魚和線蟲則使用了鈣成像檢測。先後分析了七氟烷、丙泊酚、氯胺酮、異氟醚等作用機制不同的多種麻醉藥物使用資料。利用被稱為hctsa的解析法從各時間序列中提取6827種特徵後，485種特徵均呈現相同方向的變化。
尤其是表徵稍前神經活動影響留存時長的內在神經時間尺度，在全部6個物種的麻醉狀態下均出現縮短。也就是說，在麻醉狀態下，稍早之前神經活動帶來的影響會更快消失，神經活動的持續性下降。
比較大腦整體各區域活動後發現，麻醉狀態下，清醒時可見的腦區間同步性，即不同區域活動在同一時機變動的特性有所減弱。此外，清醒狀態下腦區間共同可見的神經活動持續性和週期性等時間變化特徵，在麻醉下各區域間差異變大。這一結果表明，麻醉狀態下不僅各腦區活動在時間上難以持續，腦區間的活動模式也難以一致。
已知在獼猴中，丙泊酚麻醉期間對視丘中央正中核進行腦深部刺激（DBS）可恢復對外界刺激的行為反應性。此時，因麻醉而縮短的內在神經時間尺度再次變長，同時腦區間相互作用也朝著與麻醉所致變化相反的方向變化。另一方面，在不同於視丘中央正中核、刺激後無法恢復行為反應的對照位點，並未觀察到這類神經活動變化。上述結果表明，本次檢測到的神經動態與大腦能否對外界刺激產生響應的狀態存在關聯。
調查4種哺乳動物中麻醉所致神經動態變化與基因表達分布的關係後，發現與興奮性、抑制性神經傳遞及神經活動節律相關基因有關。其中包括GABAA受體、NMDA受體、AMPA受體、HCN1等。4種哺乳動物中，狨猴利用了腦基因表達資料庫Marmoset Gene Atlas。
透過生物物理全腦模型，驗證能否從麻醉劑在突觸層面的作用再現全腦尺度的變化。在模擬GABA能麻醉劑的模型中，實測資料裡共同發生變化的485項特徵中有461項（95%以上）朝相同方向變化，在模擬氯胺酮麻醉劑的另一模型中，也可再現90%以上的特徵變化。
本研究表明，不應簡單將麻醉狀態下的大腦視作「活動減弱的狀態」，而應理解為「神經活動持續性下降、腦區間協同作用減弱的狀態」（神經活動的時空孤立）。隨著行為反應性恢復，神經動態朝相反方向變化，這說明神經活動的時空孤立有望成為表徵對外界響應下降這一腦狀態的指標之一。
此外，即使是解剖學上差異很大的生物物種，也能將神經活動的動態特徵作為共通「標尺」進行比較，今後將該「標尺」應用於各種腦狀態和疾病，有望超越物種和測量尺度理解腦功能。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Nature Neuroscience
論文：Comprehensive profiling of brain dynamics during anesthesia across phylogeny
DOI：10.1038/s41593-026-02460-4
