腦電圖和功能性磁共振成像的應用，讓人們在認識意識的神經基礎方面取得了一定的進展。然而，從清醒轉換到無意識狀態以及從無意識狀態恢復清醒這兩個過程之間的細節仍然不清楚。多項研究表明，根據腦電圖或功能性磁共振成像的結果，全身麻醉可能會破壞腦網絡結構之間的連接，這可能是麻醉導致意識改變的機制。特別提出的是，額葉與頂葉相互作用的減少可能是其中一個關鍵因素。
研究人員開發了一些定向測量方法，以了解腦電信號中各腦區信息流的變化（「定向功能性」或「有效性」連接）：來自其他腦區的信息是否會出現在目標區域的信息之前（定向相位滯後指數；是否影響了目標區域的腦電圖時間序列（符號傳遞熵、Granger因果關係、動態因果模型）。符號傳遞熵和動態因果模型利用功能性磁共振成像，顯示了大腦區域之間的有效連通性有不同程度的降低，同時也喪失反應能力。而Granger因果關係分析的結果存在差異。
Granger因果關係被稱為直接功能連通性和有效連通性；本文將Granger因果關係描述為有效連通性度量標準，以區別於典型的功能連通性度量標準。因此，本文利用頭皮腦電圖的Granger因果關係假設異丙酚誘導的健康志願者反應性的喪失和恢復與腦區間信息流（有效連通性）的降低有關。此外，還使用一致性（一種功能連通性度量標準）將這種信息流度量標準的時間過程與區域同步性的時間過程進行了比較。本研究力圖建立兩種意識狀態轉變過程中的信息流的典型連續軌跡，並確定在這些轉變過程中信息流變化最大的大腦區域。
研究分析了來自英國牛津的16名健康成年志願者的31通道腦電圖數據集。志願者們經歷了一個10分鐘不給藥的閉眼休息期，然後用異丙酚慢速誘導意識喪失。採用靜脈靶控輸注異丙酚，遞增0.2μg/ml，在48min內達到4μg/ml的最大效應室濃度。在丙泊酚峰值濃度下維持10分鐘後，停止異丙酚鎮靜，讓受試者甦醒，同時腦電圖記錄持續48分鐘。在誘導和甦醒階段，向志願者提供雷射、文字和音調刺激。行為反應性的喪失和恢復時間是通過大約每60秒一次的聽覺認知單詞任務來評估。志願者用一個雙選項的按鈕框來回答，不論兩個單詞是相同的還是不同的。
腦電圖記錄開始後21-36分鐘受試者出現行為反應喪失，行為反應恢復時間從76到109分鐘不等。16名受試者中有2人在記錄結束前不到15分鐘（7.5分鐘和12分鐘）恢復了反應性，因此行為反應時間段恢復後15min的數據不全。總共有886538個四秒窗腦電數據進行分析。由於最大絕對振幅超過200µV，4384（0.5%）個EEG窗口被排除在Granger因果分析之外。由於Granger因果關係作用於每對雙變量電極，Granger因果關係模型的總數為26464620。由於殘差自相關，Durbin-Watson檢驗排除了892189個（3.4%）模型。同時沒有排除一致性分析。如前所述，腦電圖顯示隨著異丙酚的增加，δ和α功率通常增加。
行為反應喪失和行為反應恢復前後所有電極對的標準化平均Granger因果關係軌跡如圖1所示。最明顯的變化是，無反應狀態的標誌是整個大腦的信息流大大減少。最大的幅度變化是在δ頻段，其中，所有電極對的中位數（四分位間距）從行為反應喪失前2分鐘的0.15（0.21）（行為反應喪失時的0.11[0.12]）下降到行為反應喪失後2分鐘的0.06（0.04）（P<0.001 vs.行為反應喪失前2分鐘）和行為反應喪失後15分鐘的0.01（0.005）（P<0.001 vs.行為反應喪失前2分鐘）。當行為反應恢復時，δ頻段的Granger因果關係恢復到0.48（1.02），大約是行為反應喪失前水平的4倍。這種新的Granger因果關係在行為反應恢復後持續了15分鐘。這種變化在β頻率範圍內最不明顯。
圖2顯示了δ波段的參與者在整個時間過程中的軌跡。結果表明，16名受試者中有14名在反應性轉換時Granger因果關係的下降非常突然。我們還發現，對於兩個受試者（即ID 1和ID 9），在行為反應恢復之前，Granger因果關係發生了部分變化，隨後在行為反應恢復時發生了更大的變化。
圖3展示了多個拓撲圖，顯示了從每個電極到頭部其他部位的行為反應喪失的δ帶平均Granger因果關係值。Granger因果關係的最大變化來自於外側額葉和前額葉電極在後部和內側方向觀察到的。在所有時間點，信息流在左右半球大致對稱。相比之下，從後部到前部的信息流要小得多，並且在行為反應喪失前後似乎沒有變化。
Granger因果關係軌跡的主要成分分析結果顯示，對於行為反應的δ和α損失/恢復，有37個電極對位於最大係數的前5%，31個電極對位於最小係數前5%位（圖4）。最大係數表示行為反應喪失或恢復前後15分鐘內變化最大的電極對。從圖3的拓撲圖可以看出，這些主要是從外側電極到內側區域（額葉、中央和頂葉），從前額葉到中央電極。在δ頻段，這組電極對的均值中位數（四分位間距）從行為反應喪失前2min的0.82（0.24）下降到行為反應喪失後2min的0.17（0.05）。當考慮電極對和參與者時，所有頻段的行為反應喪失或恢復的變化是有顯著差異的（P<0.001）。類似地，最小主要成分係數識別那些在行為反應喪失或恢復過程中變化最小的電極對。這些主要是與後額葉信息流有關；然而，即使是這些信息流也顯示出顯著的統計學差異（P<0.001）。
Granger因果關係的混合效應模型表明，閉眼狀態（P<0.001）和異丙酚輸注（P<0.001）在所有電極對上的Granger因果關係值都顯著降低。因此，雖然閉上眼睛會導致Granger因果關係的適度減少，但它本身並不能解釋轉變為無反應狀態期間Granger因果關係的減少。
與異丙酚麻醉時Granger因果關係的一致性降低相反，麻醉期間一些電極對的連貫性降低，而其他電極對的連貫性增加，這取決於腦電頻率。總的來說，在無反應期，δ帶連貫性降低，α帶連貫性增加。圖5顯示的是通過主要成分分析確定的電極對。δ帶連貫性的降低主要發生在額葉和前額葉電極之間，與枕葉電極O1到O2有一些聯繫：電極對的中位數（四分位間距）從行為反應喪失前2min的0.31（0.13）減少到行為反應喪失後2min的0.25（0.09）（P<0.001）。額葉和中央區電極的α帶連貫性的增加跨大腦半球；電極對的中位數（四分位間距）從行為反應喪失前2min的0.24（0.05）增加到行為反應喪失後2min的0.29（0.05）（P<0.001）。在麻醉過程中，β帶的連貫性也有一些增加，與α帶相似也跨大腦半球。
用Granger因果主要成分分析法識別的電極對在連貫性上沒有一致的變化。圖6顯示了選定幾個電極的相干態與Granger因果關係的狀態空間軌跡的可變性示例。行為反應喪失前15分鐘和行為反應恢復後15分鐘（即反應性）以藍色顯示，行為反應喪失後15分鐘和行為反應恢復前以橙色/紅色顯示。最上面一行顯示，在行為反應喪失和Granger因果關係隨後減少之前，電極已經有連貫性的降低。圖6的下面幾行顯示了Granger因果關係和連貫性之間的負相關，即隨著麻醉的增加，連貫性增加，但Granger因果關係減少。
在異丙酚誘導的反應性喪失時，由二元Granger因果關係評估的大腦所有區域的皮層信息流都會突然減少，在側腦、大腦額部、中央區和δ頻段最為明顯。這些變化在反應性恢復時都會被逆轉。Granger因果關係的結果與連貫性的結果形成了對比，連貫性是同步活動的非定向測量，表明信息流是清醒的重要指標，而不是區域同步性。
原始文獻：
Pullon RM, Yan L, Sleigh JW, Warnaby CE. Granger Causality of the Electroencephalogram Reveals Abrupt Global Loss of Cortical Information Flow during Propofol-induced Loss of Responsiveness. Anesthesiology. Oct 1 2020;133(4):774-786.
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