全身麻醉下，人的意识消失了，大脑却还可能存在认知活动。麻醉下的病人有可能发生术中知晓（awareness）。据报道，麻醉中知晓的发生率在美国平均为0.2%，心脏和产科手术可达1%以上。在国内平均为2%，心脏手术高达6%。而另一方面，又发现麻醉药对认知功能会产生不良影响。术后早期会发生认知功能障碍（postoperative cognition disorder），特别是老年人。研究证明，尽管鼠可以从全麻的作用中快速、完全的恢复，但是全麻对鼠掌握和完成空间记忆任务的能力可以产生持久的损害。这种损害在麻醉后2周仍很明显，老年鼠对这种干预更敏感。这种作用与麻醉药未完全清除或术后生理紊乱无关；也难以用麻醉药的药物动力学特性来解释。说明全麻的影响比基于麻醉药药理学的作用要长。推断这种损害可能与麻醉诱导的神经结构和/或生化级联反应介导的学习和记忆功能的改变有关。
全身麻醉下大脑为什么还会存在认知活动？麻醉药为什么会对认知功能产生影响？首先要了解一下认知、意识和记忆的概念以及麻醉与他们之间的关系。
认知（cognition）是指外在物理世界如何产生知觉，知觉信息如何输入、如何表达，乃至问题如何求解的过程。认知活动包括知觉、注意、记忆、动作、语言、推理、思考、意识乃至情感在内的各个层面。认知科学是研究人类感知和人脑信息处理过程的科学；是在心理科学、信息科学、神经科学、科学语言学、比较人类学以及其它基础科学交叉后涌现出来的高度跨学科的新兴科学。
意识（consciousness）也许是人类大脑最大的奥秘和最高的成就之一。对意识给予统一、确切的科学定义是十分困难的。不同的领域，对意识的理解也是不同的。诺贝尔奖获得者Crick认为，意识所涉及的是注意和短时记忆相结合的神经机制，是可以用科学的方法去研究的。Bonhomme将麻醉下意识的消失定义为清醒程度和脑的认知功能包括对环境的知觉、思考、注意和记忆等的可逆性改变。产生意识的生理过程和相关解剖结构不甚明了，麻醉药物诱导意识消失的作用位点也知之甚少。一些位点可能参与意识的形成，如大脑皮层、丘脑和网状结构。脑功能成像技术已证实许多麻醉药物可影响大脑这些局部区域。Alkire等
用正电子发射断层扫描（PET）技术，通过研究氟烷、异氟醚和异丙酚对脑代谢的影响，作为了解麻醉药物作用位点的间接方法，发现上述麻醉药抑制皮层、丘脑和网状结构的代谢。但各位点是同等地有助于意识的消失还是其中某个位点比其它位点更关键，还需要研究。Fiset等使用PET技术研究了异丙酚的效应，发现异丙酚可使内侧丘脑和其它与觉醒（arousal）有关的脑区代谢下降。这些研究表明异丙酚主要通过作用于与觉醒有关的结构产生意识消失的效应。Heinke发现在视觉刺激变化期间异氟醚可以影响大脑某个非常专一的区域。在记忆测试时大脑特定区域rCBF的增加会被丙泊酚降低。这些神经影像学证据说明麻醉药对大脑的影响是特异性的而非全脑性的。因此通过比较麻醉药在非镇静时和镇静作用时对事件记忆影响的差别，可以找出这些药物产生记忆影响时的大脑特殊作用部位和可能机制。但是要完全明白麻醉药物如何影响意识仍需做大量的工作。
意识是一个复杂的问题。一些学者提出应该找一个切入点，例如可以将觉知（awareness）和非觉知作为研究意识的切入点，找到神经相关物在脑活动中的区别。麻醉下发生知晓令麻醉医生感到难堪，但是麻醉中知晓的发现却为我们研究麻醉下记忆和大脑认知活动提供了一个机遇。
很多人认为思维是意识的标志。思维存在，就可以确定意识存在。思维能否作为确定意识存在的标志，要看思维是否能够脱离意识独立存在。计算机能够模拟思维，但计算机没有意识，它模拟的思维是可以脱离意识进行的。但是，意识又与思维、记忆、感觉、言语、意志、需要、情感、肢体活动都有相互作用关系，而且大多是相互促进，共同发展。其中意识与思维的关系最为密切，没有思维，意识就不可能产生；没有意识，思维不可能发展到高级。如果没有思维时，大脑里只能记忆。这些记忆只能用两种形式记录：一种是现在人们还不能解读的大脑信息代码；另一种是用对感觉信号简化后形成的知觉（即形象）。可见促使意识生成的关键不是记忆，而是思维。虽然意识离不开记忆，但它们的关系没有意识与思维那样重要。意识生成后，通过对记忆的认识，使记忆在意识的控制下得到改进、提高。
记忆(memory)是人类认知功能中最核心和最重要的脑功能。记忆是将获得的知识储存（record）和读出（recall）的神经过程。记忆不是单一的神经过程,从不同角度有不同分类。根据信息储存和读出的方式,记忆可分为: 陈述性记忆
（declarative memory）和非陈述性记忆（nondeclarative memory）。 记忆又是随时间而变化的神经过程,可将记忆过程分为：短期记忆（short-term memory）和长期记忆（long-term memory）。
陈述性记忆又称外显记忆（explicit memory），依赖于对信息获得和回忆的意识表达,依赖于评价、比较和推理等认知过程,包含对片段信息的加工,并能用语言表达出来。
非陈述性记忆(反射性记忆) 又称内隐记忆（implicit memory），具有自主或反射的性质,形成或读出不依赖于意识或认知过程,要经过多次重复才能逐步形成,且主要表现为作业操作。几乎不能用语句表达,但语言作业的学习重复足够也可具有反射性记忆的特征。例如知道钢琴是什么东西属陈述性记忆中的语义记忆, 能记住昨天弹过钢琴属事件记忆; 而会弹钢琴属于非陈述性记忆或反射性记忆。陈述性记忆经不断重复可转变为反射性记忆,例如,开车、游泳、弹钢琴等开始涉及有意识的认知过程,熟练后也可成为自主的和无意识的。
记忆可以是无意识的和下（转）意识的。记忆是天生的功能，很多是在意识生成前就有的，意识生成后也可以处于无意识状态。例如，在你眼睛看到东西的时候，不用意识控制，对这个东西就产生记忆。这种记忆有时因为记忆深刻，意识控制的回忆可以回忆出它的样子。有时记忆不很深刻，意识控制的回忆竟然回忆不出它的样子来。只有再次接触类似东西时，你对它的记忆才被激发起来。这种现象不是记忆的遗忘，而是由于一些无意识状态的记忆不能被意识回忆的缘故。
大脑中直接主管记忆的是皮层的边缘系统, 其中杏仁核、海马与记忆有密切关系。 海马外周的颞叶也参与记忆。陈述性和非陈述性记忆有不同的神经通路。前者以边缘系统为主，与认知性记忆有关,海马和颞叶损伤影响陈述性记忆;后者以基底神经节为主,与习惯和适应性反应记忆有关,杏仁和小脑损毁影响反射性记忆。
短期和长期记忆是整个记忆过程的不同阶段。短期记忆持续几秒或几分;长期记忆持续数小时直至永久。短期记忆的读出机制容易受影响，转入长期记忆后就相对稳定。 短期和长期记忆有不同的神经机制。
目前证实: 脑内突触连接是信息传递和加工的重要环节,记忆过程中突触可
发生某些形态和功能的变化--突触的可塑性的改变。短期记忆的神经基础仅仅是一种电流性变化,是正在工作的神经元活动以电流形式的变化将信息储存下来,学习和记忆过程存在突触传递的增强和减弱。长期记忆则需上升为生物化学变化和形态学变化, 首先把来自外界的刺激换成电流信号,再以生化学的变化来接收信号,生成新的神经突触。因此长期记忆与脑内某些永久性功能和结构变化有关,需要合成新的mRNA和蛋白质分子。老鼠学习后RNA碱基比例发生变化是记忆储存在核酸分子上的证据。蛋白合成抑制剂影响学习后记忆的巩固。
近年发现有关记忆在突触传递上的一个可塑性模式--海马长时程增强（long-term potentiation, LTP）。。实验发现,给动物成串的条件电刺激后，单个刺激引起锋电位和兴奋性突触后电位（EPSP）的振幅增大和潜伏期缩短。这种易化现象可持续10h甚至24h以上，称为长时程增强 （ LTP）。 如果条件刺激每隔24h重复一次，单个刺激引起的 EPSP增大可持续12天以上，少数动物停止给条件刺激后，LTP现象仍能持续2个月之久。一定强度的刺激可提高单个刺激引起的EPSP的幅度，而一定频率的刺激可使EPSP产生叠加效应，结果使突触后膜的去极化达到一定的程度，使位于NMDA受体通道内阻止Ca++内流的Mg++移开，这样当递质(Glu)与NMDA受体结合后，通道打开，Ca++内流，触发一系列生化反应。目前发现是蛋白激酶系统被Ca++激活，参与LTP诱导过程。而LTP维持需要合成新的蛋白分子。NMDA受体是双重门控通道，既受电压门控也受递质门控。膜去极化使堵塞通道的Mg++移开后，谷氨酸与NMDA受体结合才能使通道打开。
兴奋性氨基酸(EAA)和NMDA受体在记忆中的作用已证实参与海马区LTP的诱导, EAA在脑外伤后记忆障碍发病机理上起重要作用。例如,让鼠学习在水箱里寻找一个隐蔽的平台,学成后向鼠脑室内注射NMDA拮抗药,会损害鼠学习寻找新平台的能力,但不影响其寻找以前学会了的平台,这种损害在活体上有海马LTP的分裂。说明NMDA受体与获得新信息有关,与回忆和表达以前信息无关。将NMDA受体拮抗剂注入杏仁复合体会产生顺行性遗忘;相反, 抑制性氨基酸GABA受体拮抗剂注入杏仁复合体或损毁杏仁基底外侧核团均可阻断苯二氮卓类药的顺行性遗忘。说明GABA 激动剂损坏记忆的保持,而其拮抗剂增强记忆。
学习和记忆是基本的认知活动，是经验与知识的积累过程。将认知的神经科学引入麻醉下学习和记忆的研究，证实麻醉中知晓不仅包括外显记忆（explicit
memory）也包括内隐记忆（implicit memory）。而知晓之所以难以控制和消除，主要是它在麻醉中是否发生，我们当时不可知，只能靠术后调查；再有内隐记忆的发生是无需意识参与的。
内隐学习就是无意识获得刺激环境复杂知识的过程。在内隐学习中，人们并没有意识到或者陈述出控制他们行为的规则是什么，但却学会了这种规则。内隐记忆指在不需要意识或有意回忆的情况下，个体的经验自动对当前任务产生影响而表现出来的记忆，特点是人们并没有觉察到自己拥有这种记忆，也没有下意识地提取这种记忆，但它却在特定任务的操作中表现出来。这类记忆会在当前的思想和行为上有所反映，但此过程无意识参与的痕迹。在80年代中期之后，内隐学习成了心理学界、尤其是学习和认知心理领域最热门和最受关注的课题，成为对认知心理学的发展产生深远影响的最重要课题之一。
如何证实麻醉下认知活动的存在呢？如果病人麻醉后有明确的记忆，反映在麻醉中听到或回忆起不良言语和感觉，并经主管麻醉医生证实，可以确定病人在麻醉下存在外显记忆。目前国际通用的调查语：(1)你睡着前能记住的最后一件事是什么？(2)你醒来后能记住的第一件事是什么？(3)这两点之间你能记住什么？(4)手术中你做梦了吗？(5)关于手术最坏的事是什么？这种通过术后回忆（recall）和再认（recognition）的测定方法称为直接测量。然而对麻醉中的内隐记忆需要通过心理学的间接测量；最常用的就是词干补笔（word stem completion）测试，又称启动效应(priming effect)。启动效应在麻醉状态下的学习机制中可能起重要作用，是麻醉学家感兴趣的研究。实验对象经历过但不能有意识的回想起的刺激,增加他在实验中选择与刺激类似事件的可能性，这就是启动实验的原理。例如在麻醉中给病人反复听相关的词汇，麻醉后通过词干补笔的测试方法来反映病人麻醉中所学内容的作用。近年来，为了避免内隐记忆和外显记忆的相互“污染”，心理学界又发展出新的加工分离程序（process dissociation procedure, PDP）的测试方法。
麻醉下听觉是最后消失的感觉。因此听觉也是接受术中事件的最重要通道。Mintzer在一组接受三唑仑（triazolam）的志愿者，通过增加听刺激频率测试期间局部脑血流（rCBF）的变化，证实了三唑仑作用的特殊部位；大脑对增加听刺激频率的反应是颞叶神经活动增加、脑代谢增加、最终rCBF增加（血氧浓度
依赖的信号反应，BOLD）。在人类的研究，证实在临床满意的麻醉深度可以存在听力材料的学习；用PET在志愿者研究发现，伴随认知变化rCBF有明显的改变。在动物甚至深麻醉状态仍可有与刺激相关的神经活动。
听觉刺激产生的脑听觉诱发电位（AEP）成为研究麻醉下认知活动的重要手段。AEP包括短潜伏期、中潜伏期和长潜伏期听觉诱发电位。听神经进入脑后，终止于延髓耳蜗前腹核和后腹核。该二核中细胞轴突终止于同侧和对侧的上橄榄核团。上橄榄核团细胞发出的纤维主要达到下丘。下丘是听觉系统重要的中继站，从下丘发出纤维大部分到同侧内膝体。内膝体发出的轴突经内囊到同侧颞叶听皮层。延髓耳蜗神经核以上各级中枢都接受双侧耳传来的信息。
短潜伏期AEP是脑干听觉诱发电位（BAEP）。大多数麻醉药对BAEP作用很小或根本无作用。因此可以认为麻醉下听觉信息可以传递到脑干以上的部位。
中潜伏期听觉诱发电位（MLAEP）是皮层事件相关电位（ERP）的早期波形。因为发生时段早于记忆形成的时段，不能反映记忆过程；但仍被广泛应用于有关麻醉的研究。MLAEP虽然不能代表记忆过程，但它与全麻状态下记忆的形成有联系。MLAEP监测的是听觉而不是对声音的感知（需要认知和记忆过程参与）。在一定麻醉深度时，试验对象意识丧失不能感受声音，但其对声音的反应还在，因此MLAEP成为监测麻醉深度的可靠指标。
长潜伏期听觉诱发电位（LLAEP）属皮层事件相关电位（ERP）。在志愿者研究时发现麻醉下给予听刺激（词汇），麻醉后心理学测试（词干补笔和PDP）的结果证实麻醉中确实接受了这个听刺激。同时发现，当麻醉中志愿者的意识消失后，ERP的外源性成分N1波仍保持麻醉前水平不变，这就进一步证实了麻醉下听觉信息可以通过感觉传入通道传至大脑皮层。而反映大脑皮层对靶刺激做出判断和反映此过程的皮层事件相关电位（P3波）也会产生相应的变化。P3和P300指的是同一个波，称它为P300是因为它是在异常刺激后约300ms产生，称它为P3是因为它是长潜伏期诱发电位的第三个正向波，两个称呼可以互换。P3波长期以来受到科学家们的关注是因为它代表着大脑对重复信号突然发生变化时的反应，这种反映对物种生存的意义十分重大，这是因为动物大脑不断接受单调的重复信号刺激，但却需要迅速对可能代表着某种危险或机遇的异常信号作出反应。P3与这类反应关系不大，但它确实反映记忆过程某一时段中，大脑不断将
输入的外界刺激信号与一内在模板（代表单调重复的刺激方式）进行比较，如果发现输入信号发生变异，就有一个约10-20μv的P3波产生。实际上工作记忆的开始与P3波有密切的联系，但工作记忆的真正标志是一个持久的正向波，一直持续到记忆活动间歇期。因此虽然P3波是大脑对异常刺激的反应，但它在学习与记忆机制研究中有重要意义。被大脑记住和没有被记住的材料在编码阶段的ERP反应就是不同的。P3波振幅与记忆能力之间关系密切，振幅增大代表记忆能力的增强。如果P3波消失，说明大脑皮层已不能对传入信息进行有意识的加工处理。业已证明，临床满意的麻醉，大脑有可能接受听刺激，并在一个较高水平处理这些信息。
P3的来源难以定位，可能是颅内多处散在的皮质参与了P3的形成。采用颅内ERP技术研究海马部位病变的病人，发现海马区域在P3的形成中起作用。虽然颞叶切除的病人仍能产生P3波，但对刺激的变化不能再产生对应的形态学的改变。
有关内隐记忆的电生理学研究发现，大脑在处理曾经见过但已忘记的词语时会产生一种特殊形态的ERP波形，此波的最大振幅可在顶叶区域被记录到，出现的时段也较晚。脑对熟悉的事物（属于外显记忆）和陌生记忆（属于内隐记忆）的ERP几乎同时发生，不易分辨。都发生于300-500ms时段范围，两者主要区别是：对刺激信号的熟悉程度不同，反应波形会有区别；波形在头部表面的分布区域不同。
随着脑成像技术和神经生理研究的迅速发展，利用正电子断层扫描(PET)和功能磁共振成像(fMRI)技术，可以较精确地测量在完成特定的注意任务时大脑各区域脑血流的变化，从而确定功能结构和解剖定位。发达国家建立的一批脑成像研究中心，都达到和当年高能物理研究机构相似的程度。fMRI工作原理是以脱氧血红蛋白的磁敏感效应为基础的核磁成像技术，因此无需放射性示踪剂。fMRI检测脑活性依赖于器官血流的变化，局部脑皮质遇到外在特定任务刺激后（神经刺激后局部脑区激活），rCBF增加，由于rCBF增加的比率超过了局部脑代谢的增加，导致局部脱氧血红蛋白比率降低，从而使fMRI的信号增加。这就是fMRI的血氧水平依赖的信号基础（BOLD）。脱氧血红蛋白比氧合血红蛋白具有略微不同的磁特性，MRI 检测的信号可由计算机分析并根据不同脑区标记不同的颜色。
研究发现，正常睡眠时皮层听觉反应始终存在。镇静剂量下（丙泊酚2.5ug/ml），尽管全脑血流减少15%，注意力也发生改变，但rCBF随听刺激速度的增加而呈线性相关的增加的变化并不改变，说明镇静剂量的麻醉药并不会影响脑功能活动伴随的rCBF反应。当进一步提高丙泊酚的浓度产生rCBF的任何改变只能表示这些药物在脑的认知活动方面的直接影响。这样通过观察认知测试期间药物与rCBF的相互作用可以进行药物对认知过程影响的神经解剖学定位。用lorazepam或东莨菪碱镇静导致事件记忆消失期间，脑认知活动和成像信号之间的关系仍然存在。给药后来自海马的BOLD信号消失了，而来自视觉中枢的BOLD信号仍未发生变化。说明这个药物对记忆的影响显然是涉及对海马的局部作用。rCBF增加通常认为是伴随兴奋性脑活动。因此很可能与树突（spike）活动和突触活动紧密相关。
记忆过程在脑中的定位虽然不存在所谓的“记忆中枢”，但确实发现了许多与记忆有关的解剖结构。早期的记忆研究主要针对有特定部位脑损伤的病人；90年代以来将现代化的神经影象技术应用于研究之中，产生了巨大进步。海马/中颞叶可能是外显情节记忆（在过去数秒到数分之间的记忆）的结构基础。治疗癫痫发作的病人采取颞叶广泛切除手术后，导致病人发生健忘症，证实颞叶在人脑获取新知识方面具有重要作用。但后续研究发现信息一旦被编码进入长期记忆就广泛分布于各处皮质，即使没有中颞叶结构参与也能被检索。中颞叶结构可被认为是记忆过程的“瓶颈”，而海马结构不仅在新信息编码的过程中，而且在旧信息的升级和更新过程中都起重要作用。额叶前部在记忆的编码和检索过程中也起重要作用。研究大脑对单词的记忆和检索时发现左右两个半球在记忆功能方面是不对称的，左半球主要负责编码，右半球主要负责检索（HERA 模式）。检索功能是由海马/中颞叶结构完成的。额叶前部主要是执行与监管作用。左额叶前部主要负责对新材料进行编码，海马负责检索一些语意信息。将额叶前部编码产生的材料与海马检索结果结合起来将产生一种更强的记忆（编码），这种记忆在以后的回忆中更易被检索。
中颞叶、间脑（包括丘脑乳头状核、穹隆）和基底前脑的正常功能对保持正常记忆能力是十分重要的。海马与杏仁核与情节记忆关系密切，只有两者都受损时，患者才会产生严重而持久的失忆症。它们内侧和外侧的皮质在情节记忆向长
期记忆转化过程中十分重要。损伤动物的基底外侧—杏仁核复合体会损害GABA能神经元相关的记忆功能（类似于异丙酚、苯二氮卓类麻醉药）。额叶皮质损伤的病人表现出正常的学习能力和记忆力，但随后却不能确定信息的来源和上下文关系。对最近的记忆内容进行判断和回忆时出现困难。小脑在认知过程中发挥着重要功能，它不仅仅管理着运动功能，通过与边缘系统和额叶前部皮质的联系也涉及到认知、语言、情绪反应等多种功能。
启动效应定位于额叶前部的楔型叶、角回、顶叶和枕叶皮质，在实验中观察到不同的记忆任务激活不同的大脑区域；但同时又观察到即使是一个简单的记忆过程大脑中的许多功能部份也是一起协同工作的，例如在对内隐记忆和外显记忆研究中发现大脑的很多区域在两种记忆过程中都处于激活状态。在词干补笔测试期间脑外纹状体皮层区的血流降低，也是内隐记忆（启动效应）的解剖学证据。
记忆是依托于一个彼此相互联系着的神经网络而不是一个线性结构。对记忆过程（如视觉记忆和词语记忆）分别进行研究发现它们利用各自独立但局部重叠的脑功能区。这让我们产生了一个假设：麻醉药物的镇静催眠作用和遗忘作用虽然是相互关联的，但它们在不同的神经解剖区域产生的作用可能是独立的。在药物的遗忘作用中可能不止中颞叶和海马在起作用，最近的研究显示药物影响到丘脑、额叶前部皮质和一些在工作记忆中起重要作用的区域。
咪唑安定和和异丙酚都导致记忆损害。两者都抑制神经活动，被药物抑制的神经区域发生rCBF的下降。血流下降的区域大小与药物浓度正相关，且恰好是与记忆特别是工作记忆相关的皮质区域。药物诱导的rCBF下降与认知过程有何关系？异丙酚低浓度对记忆就产生影响，高浓度时可阻断触觉刺激对rCBF的影响，而此时听觉刺激还能引起相关皮质区域rCBF的增加。这结果能解释听觉是麻醉诱导时最后消失而苏醒时最先恢复的说法。也能解释为什么在快速动眼睡眠时听觉信号输入可以影响梦境。
学习和记忆的神经生物学基础是神经细胞之间的联系结构突触的可塑性变化－长时程增强（LTP）。学习过程中有关的突触发生变化，导致突触连接的增强和传递效能的提高。LTP被称为“记忆的突触模型”和“记忆的神经元机制”。已成为当代神经科学中一个十分活跃的研究领域。麻醉药对神经元突触可塑性的研究将有可能从机理上弄清麻醉下学习与记忆的变化，解决麻醉中知晓和术后认知功
能障碍的问题。初步研究发现全麻药可影响神经突触可塑性 (LTP和LTD）。但静脉全麻药与吸入全麻药作用机制不同。静脉全麻药（氯胺酮除外）主要通过增强抑制性神经递质（ GABA）抑制LTP ，受GABAA 受体介导。 而吸入全麻药主要通过抑制兴奋性神经递质（乙酰胆碱）抑制LTP，与N型乙酰胆碱受体有关。这种机制上的差异是否与静脉全麻药知晓发生率较高，而吸入全麻药术后认知功能障碍发生率偏高有关尚待研究。
