觉醒状态：一种全机体层面的动态系统新解读  

通过测量瞳孔变化，研究人员推断出一种潜在、低维度且覆盖全机体的动态过程，该过程可解释大脑活动在秒级时间尺度上呈现的复杂时空模式。这一发现揭示了一种基础性动态机制——它持续构建着大脑、身体及行为变量的动态变化过程。  

研究背景

对清醒生物体的大脑和身体进行高维度测量后发现，不同模态、尺度及物种中均存在多种自发性波动。感官刺激引发的神经与行为反应，会因这种动态背景状态的不同而产生显著差异——这凸显出我们亟需深入理解：究竟是哪些过程在产生并协调这些波动⁠[1,2]。然而，这些波动与行为（如移动、抽搐、姿势变化）之间的关联极为复杂，若想通过因果序列和相互作用来解析这一复杂图景，难度极大。

研究发现

研究团队提出了一种全新视角：生物体的各类波动必须以“维持整体协调性”为前提发生。这一视角将研究焦点从“一对一的因果关系”转向“众多变量如何通过相互关联持续演变”——类似乐队成员根据合奏的整体音效调整自身演奏的过程。  

基于“全机体存在统一动态过程”这一假说，研究团队提出了预测：我们可将记录到的变量视为“假定基础性动态系统”的局部测量结果。在该动态系统中，其状态及随时间的演变，是由众多变量间的反馈交互作用决定的。研究的核心洞见在于，将“觉醒状态”这一概念（通常模糊指代警觉程度或整体激活状态）纳入该动态系统框架重新解读。由此，觉醒状态不再被视为“离散、周期性进入的状态”，而是对“贯穿全机体、持续演变的动态系统状态”的高阶描述。借助成熟的数学技术，研究团队得以在不同变量间建立映射关系——前提是这些变量确实反映了同一潜在（隐性）过程⁠[3]。  

研究团队将上述“动态统一性”假说与另一衍生假说相结合：以往被认为由脑区间直接交互作用导致的“大规模脑时空动态”，实际上反映的是同一“全机体觉醒相关过程”⁠[4]。这两个假说共同推导出一个预测：通过大脑外部的简单测量（如瞳孔大小⁠[5]），足以重构秒级尺度上的脑时空动态。这一推断颇具挑战性——毕竟脑时空动态极为复杂，似乎难以通过“瞳孔大小”这样的标量来捕捉。但如果二者确实反映了同一基础性过程，那么瞳孔动态随时间的演变，就应当蕴含着更丰富的大脑活动模式的隐性信息。  

研究结果证实了这两个假说：瞳孔大小足以推断大脑生理活动多方面的大规模时空模式（图1）。该发现支持了研究团队对觉醒状态的重新解读——即觉醒状态并非“离散的一维状态”，而是在“抽象多维数学空间中持续展开的、结构化的全机体过程”。  

图1 大脑与身体测量结果：作为隐性动态系统的映射**  

脑成像记录可表示为“由前三个主成分（PC）定义的空间中随时间演变的轨迹”，这三个主成分是捕捉脑成像数据中最大变异的统计变量（中排左图）。每个时间点的颜色，对应于该时刻脑成像最接近的某一种重复出现的空间模式（即脑状态，下图）。瞳孔大小的动态变化能高度重现这种时空模式：通过瞳孔直径时间序列（上图）提取隐性坐标（z1-z3），并将相同时间点对应到这些坐标上（中排右图），每个时间点的颜色则对应于预测的脑状态。比例尺：30秒。  

研究团队进一步表明，这种被称为“觉醒流形”（arousal manifold）的隐性空间，可为“生物体及其测量数据”提供统一的参考框架。具体而言，时间对齐的脑与身体测量数据，可对应到“觉醒流形定义的通用坐标系中的瞬时位置”，进而构建出“觉醒状态如何在脑与身体测量中体现”的预测模型。

研究意义

该研究的一个普遍意义在于：大脑活动与行为的波动，未必总能拆解为“成对交互作用”或“线性独立因素”。相反，若要解读短至数秒内记录到的波动，就必须考虑“全机体基础性动态过程”的变化规律。  

要拓展这些研究洞见，还需开展更多后续工作。本研究的记录来自“头部固定的清醒小鼠”——这种实验设置已在系统神经科学领域推动了多项重要进展⁠[1]。但要将研究结果推广到“自由活动的动物”及其他物种，还需更细致的分析和更复杂的方法。现有证据强烈支持这种推广的可行性⁠[1,4]，而“觉醒状态”这一概念本身也始终承载着这样的研究愿景⁠[5]，但对这些动态过程的测量与建模绝非易事。  

这一研究框架为未来开辟了广泛方向：如何从数学与生物学层面更深入地理解这种动态过程？它在不同情境下会发生怎样的变化？又会如何与“更具情境特异性的行为及脑功能”相互作用？解答这些问题需要全领域的共同努力——正如本研究的开展所依赖的协作模式。  

（作者：瑞安·V. 劳特，任职于美国密苏里州圣路易斯市华盛顿大学医学院）

 专家观点

该研究团队在小鼠模型中证实，可通过瞳孔直径预测皮层活动，且其他与觉醒相关的脑活动及行为测量指标，也与同一动态系统相关联。将大脑视为“调控生理与行为的动态系统的一部分”，这一研究视角极具价值。如今，学界对这类“复杂系统”研究方法的认可度日益提升——在我看来，这种方法对理解大脑至关重要。  

（评论专家：希拉·凯尔霍尔茨，任职于美国佐治亚州亚特兰大市佐治亚理工学院与埃默里大学）

 研究背后

这项研究贯穿了我的研究生与博士后阶段，不仅联结了众多合作者，还将“从内到外解读大脑”的视角⁠[2]与“新兴的数据驱动型动态系统研究方法”相结合。推动这种结合的动力，源于我们研究工作⁠[4]及整个神经科学领域⁠[1,2]中观察到的实证现实：我们研究的过程跨越了传统界限，包括脑区或身体部位、模态，以及行为与认知的传统研究范畴。要推进研究，就需要从一开始就不设置此类界限、而是聚焦“完整生物体”的研究框架。  

本研究的成功得益于多个因素：拥有广泛专业知识且思想开放的研究团队、艾伦研究所（Allen Institute）的开放数据，以及一项独立研究基金——它赋予了我们罕见的自由度，让我们能追随科学的指引前行，即便跨越传统学术边界也无妨。我希望这项研究能证明：对科学与科研人员进行此类灵活、基于信任的投入，具有重要价值。  

（自述者：R.V.R.）

编辑点评

这篇论文体现了学界对“脑与身体功能交互作用”的关注度日益提升，展示了如何将生理活动、行为及复杂脑活动整合到同一个系统中进行研究。  

（《自然》编辑团队）