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基本信息

Title:AI predicts how brain injuries disrupt consciousness — and how to restore it once it’s disordered

發(fā)表時(shí)間:2026-03-24

發(fā)表期刊:Nature Neuroscience

影響因子:20.0

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研究背景

嚴(yán)重的腦損傷（如昏迷或植物狀態(tài)）會(huì)導(dǎo)致意識(shí)障礙（disorders of consciousness）。盡管深部腦刺激（deep brain stimulation, DBS）等干預(yù)手段顯示出潛力，但由于科學(xué)界對(duì)意識(shí)喪失的底層神經(jīng)環(huán)路機(jī)制缺乏完整理解，難以確定最佳的刺激靶點(diǎn)與頻率。這一困境的核心在于，現(xiàn)有計(jì)算模型缺乏生物學(xué)真實(shí)性，且領(lǐng)域內(nèi)缺乏能用于因果探究或在臨床試驗(yàn)前測(cè)試干預(yù)措施的有效實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法邏輯

為突破瓶頸，作者開發(fā)了結(jié)合深度學(xué)習(xí)與生物物理腦模型的生成式對(duì)抗AI框架（generative adversarial AI framework）。

1. 首先，利用逾68萬段真實(shí)大腦活動(dòng)記錄訓(xùn)練深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（convolutional neural networks, CNNs），使其能區(qū)分清醒與無意識(shí)狀態(tài)，作為“判別器”。

2. 然后，構(gòu)建包含皮層、丘腦和基底神經(jīng)節(jié)的可解釋神經(jīng)平均場(chǎng)模型（neural mean field model）作為合成大腦活動(dòng)的“生成器”。

3. 通過遺傳算法進(jìn)行對(duì)抗優(yōu)化，先使模型生成“真實(shí)且有意識(shí)”的信號(hào)，隨后反轉(zhuǎn)目標(biāo)，生成模擬意識(shí)障礙的無意識(shí)模型。

4. 最后，對(duì)比兩種模型的參數(shù)差異提取機(jī)制，并結(jié)合腦損傷患者的彌散MRI與動(dòng)物RNA測(cè)序數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉驗(yàn)證。

核心發(fā)現(xiàn)

發(fā)現(xiàn)一：基底神經(jīng)節(jié)間接通路損傷與皮層抑制增加是意識(shí)喪失的核心機(jī)制

AI框架生成的無意識(shí)模型揭示，意識(shí)障礙與基底神經(jīng)節(jié)間接通路（從表達(dá)多巴胺受體2的紋狀體神經(jīng)元到外側(cè)蒼白球）的特異性損傷，以及皮層抑制性突觸耦合的增加密切相關(guān)。這一預(yù)測(cè)得到了患者彌散MRI和RNA測(cè)序數(shù)據(jù)的交叉驗(yàn)證。

Fig. 1 中，作者展示了AI預(yù)測(cè)的環(huán)路變化及腦成像驗(yàn)證；圖1a的機(jī)制示意圖呈現(xiàn)了連接減弱與增強(qiáng)的環(huán)路變化，圖1b則直觀對(duì)比了無反應(yīng)患者與微意識(shí)狀態(tài)患者在紋狀體與外側(cè)蒼白球之間纖維連接密度的顯著差異

通過在計(jì)算模型中模擬不同皮層下靶點(diǎn)和頻率的DBS，研究發(fā)現(xiàn)高頻丘腦底核（subthalamic nucleus）刺激能有效調(diào)節(jié)受損的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。該前瞻性假說得到了接受此類刺激的清醒患者皮層喚醒增加的間接臨床證據(jù)支持。通過AI框架的模擬對(duì)比，研究為未來的DBS臨床試驗(yàn)縮小了靶點(diǎn)與頻率的參數(shù)搜索空間。

Fig. 1a 的環(huán)路圖中同樣包含了丘腦底核等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)；作者正是基于這一模型網(wǎng)絡(luò)模擬了不同靶點(diǎn)的刺激效果。

省流總結(jié)

本研究利用生成式對(duì)抗AI框架，揭示了基底神經(jīng)節(jié)間接通路受損在意識(shí)障礙中的核心作用，并預(yù)測(cè)高頻丘腦底核DBS為潛在療法。盡管模型簡(jiǎn)化了生物學(xué)細(xì)節(jié)且預(yù)測(cè)仍需臨床驗(yàn)證，該工作為探索意識(shí)喪失機(jī)制提供了有效計(jì)算平臺(tái)。

分享人：天天

審核：PsyBrain 腦心前沿編輯部

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