Jagten på skjulte tegn på bevidsthed hos uopnåelige patienter

Eksperter er muligvis ikke enige om, hvad bevidsthed er eller ikke er. Men det har ikke forhindret Marcello Massimini i at kigge ind i hovedet på dem med alvorlige hjerneskader for at afgøre, om nogen stadig er inde - og hvordan man fortsætter med behandlingen.

Russ Juskalian

Russ Juskalian arkiv side

25. august 2021

Ved første øjekast er der intet bemærkelsesværdigt ved det uinspirerede, lave hospital på den vestlige side af Milano, kærligt kendt som Gnocchi. Men to etager op, på en isoleret fløj af Don Carlo Gnocchi IRCCS S. Maria Nascente Center , er en ukommunikativ mand med en alvorlig hjerneskade koblet til en teknologisuite, som forskere her mener kan fortælle dem, om han er ved bevidsthed.

Manden sidder i, hvad der ligner en motoriseret tandlægestol, med hovedet vendt bagud, en blå kirurgisk maske dækker hans mund og næse. En hvid nethætte prikket med 60 elektroder, der hver er forbundet til et to meter langt kabel, holdes på plads af en strop under hagen. Svævende over ham afviser en infrarød række placeret på en artikulerende arm signaler fra sensorer, der er knyttet til mandens tindinger, for at producere en bevægelig, MRI-konstrueret overlejring af hans hjerne på en nærliggende skærm. En forsker, der ser på monitoren, trykker derefter en hvid plastoval til mandens kranium og sigter elektromagnetiske impulser mod områder på størrelse med Tic Tac i hans hjerne.

Denne historie var en del af vores september 2021-udgave

Se resten af problemet
Abonner

Hver puls giver et hørbart klik. Tre tunge kabler, hver omtrent lige så tyk som en haveslange, spoler sig ud bag enheden til en kvart million-dollar-maskine, der styrer outputtet. På den anden side af lokalet ser Marcello Massimini, en blåøjet, krølhåret neuroforsker, og Angela Comanducci, patientens neurolog, på en bærbar computer, mens komplicerede blå kruseduller, der repræsenterer hjernebølger, fylder skærmen i tæt på realtid. Hvad forskerne ser i dem, er det svageste tegn på en liminal, måske drømmeagtig, bevidsthed.

En rask person fungerer som testperson for bevidsthedsmåleren.

RUSS JUSKALIAN

Tilbage i laboratoriet vil en computer tildele disse hjernebølgeoptagelser et tal fra 0 til 1 - det såkaldte perturbationelle kompleksitetsindeks eller PCI. Dette enkelte tal er ifølge Massimini og hans kolleger et råt mål for en type kompleksitet, der afslører, om en person er ved bevidsthed. Forskerne har endda beregnet et cutoff på 0,31, hvilket ifølge en undersøgelse fra 2016 af teknologien hos raske og hjerneskadede forsøgspersoner skelnede mellem ubevidste og bevidste tilstande med 100 % sensitivitet og 100 % specificitet. Med andre ord fungerer det godt - rigtig godt.

Mere foruroligende er det, når forskerne beregnede PCI fra en gruppe patienter med ikke-reagerende vågenhedssyndrom (UWS, en tilstand tidligere kendt som en vegetativ tilstand), fandt de ud af, at omkring hver femte havde en PCI-værdi inden for bevidsthedsfordelingen. Selvom [sådan] patient ikke reagerer fuldstændigt, er der intet tegn på bevidsthed, fortalte Massimini, så kan du med tillid sige, at denne patient ikke desto mindre er ved bevidsthed.

Et sådant gennembrud repræsenterer den mest nøjagtige bevidsthedsmåler, der nogensinde er set i medicin (selvom den stadig er rå, rudimentær og uraffineret). De medicinske implikationer er vidtrækkende. Skøn tyder på, at der er op til 390.000 mennesker rundt om i verden med langvarig bevidsthedsforstyrrelser . Nogle af dem, der ikke reagerer, kan blive behandlet, som om ingen er derinde - mens de oplever verden vågen, alene og ude af stand til at række ud fra deres kropslige fængsel, så længe de lever.

Massimini er overbevist om, at PCI kan hjælpe med at identificere disse personer.

I juli 2021, da jeg besøgte ham i Milano, samarbejdede Massimini med andre forskere i Milano, Boston, Los Angeles og videre. I mellemtiden bliver PCI-målinger allerede brugt hos Gnocchi til at hjælpe med at guide diagnose og bestemme potentialet for delvis genopretning.

Løsningen

PCI blev født af søgen efter at overvinde næsten et århundredes forhindringer, der stod i vejen for at måle bevidsthed. Siden 1924, hvor Hans Berger opfandt elektroencefalografi (EEG) har forskere forsøgt at få adgang til de elektriske reaktioner, som vores hjerner bruger til at kommunikere, i håb om at se, forudsige og måle, hvad der foregår bag den 6,5 millimeter tykke beskyttelse af vores kranier. Bergers opfindelse opdagede ændringer i spændingsspidser produceret af vores neuroner - konverterede disse signaler til seismograflignende krumspring, der blev populært som hjernebølger.

Standard EEG-mønstre omfatter hurtige alfabølger, der svinger omkring 10 gange i sekundet og er almindelige ved bevidsthed, og langsomme deltabølger, der svinger omkring en gang i sekundet og er almindelige i ikke-drømmende søvn eller under anæstesi. Men passivt at lytte til hjernen med EEG er en ufuldkommen måde at bestemme bevidstheden på, fordi undtagelser lurer overalt.

Bedøvelsesmidlet ketamin kan excitere hjernen, hvilket resulterer i skiftende alfa- og deltabølger. Nogle typer komapatienter viser hurtige svingninger, mens de er bevidstløse. Og personer under påvirkning af stoffet atropin eller under et anfaldsmønster kaldet status epilepticus rapporterer, at de er ved bevidsthed, mens de viser de langsomme hjernebølger, der er typiske for bevidstløshed.

Et endnu større problem er, at en patients hjerneaktivitet i sig selv - resultatet af kort opmærksomhed, døsighed, frivillige eller ufrivillige bevægelser, visuelle distraktioner eller endda mangel på lyst til at følge instruktionerne - kan få passivt EEG til at skæve og reagere på måder, som gør dets budskaber til et rod.

Sagen for PCI er, at den hævder at være et objektivt mål for bevidsthed - et relativt ligetil ja eller nej. Det, der adskiller det fra almindeligt EEG, ifølge Massimini, er, at mens den ældre teknologi kun måler igangværende hjerneaktivitet, måler PCI hjernens kapacitet til at opretholde komplekse interne interaktioner. Du kan gøre dette, siger han, hvis du giver hjernen et slag og derefter følger, hvordan den forstyrrelse filtrerer og giver genlyd og bliver påvirket, mens den løber gennem den fantastisk komplekse arkitektur af 86 milliarder neuroner og deres 100 billioner forbindelser i den menneskelige hjerne .

Det banke eller zap leveres via transkraniel magnetisk stimulation (TMS), som har eksisteret i moderne form siden 1980'erne: en tryllestav holdes op mod hovedet for at skyde en elektromagnetisk impuls ind i hjernen. Når det bruges til at målrette den motoriske cortex, kan TMS fremkalde ufrivillige trækninger i hånden; når den retter sig mod den visuelle cortex, kan den fremkalde lynlignende billeder i sindets øje.

For at generere en PCI-aflæsning bruger Massimini TMS på hjernebarken. Så bruger han EEG til at måle, hvad der sker. Det er kvaliteten af post- zap signal, der fører til en score.

Marcello Massimini på sit kontor i Milano.

RUSS JUSKALIAN

Det, Massimini leder efter i dette forstyrrede EEG, er en særlig form for kompleksitet, der er organiseret, men ikke for organiseret. Det bevidste sind producerer hverken de perfekt synkroniserede krusninger af en sten, der er lobbet ind i en imaginær dam, eller den perfekt forvrængede støj fra et analogt tv's mellem-kanal sne. Bevidsthedsskabelonen er mere som et indviklet kaos – et unikt mønster blandt et næsten uendeligt antal muligheder, hvor hjernebølger ligner hinanden i nogle områder og dybt forskellige i andre.

På skærmen på hospitalet ligner en høj PCI en række kruseduller, der starter ens, men alligevel adskiller sig fra hinanden, når de bevæger sig hen over hjernens geografi. En lav PCI er endnu nemmere at se: Enten får du den samme lange, langsomme bølge overalt, eller også får du en bølge i den ene del af hjernen og stilhed alle andre steder.

I årevis kunne Massimini og andre bogstaveligt talt se bevidsthed blive optaget på skærmen, men alligevel var de forbløffet over, hvordan man kvantificerer det.

De havde bud på, hvordan de skulle gå videre, da søgningen efter PCI blev bygget på grundlag af integreret informationsteori (IIT), en kontroversiel bevidsthedsmodel foreslået af Giulio Tononi, professor i psykiatri ved University of Wisconsin School of Medicine (se side 82). IIT hævder, at en bevidst hjerne har et højt integrationsniveau (dens forskellige dele påvirker hinanden) sammen med et højt niveau af differentiering (delene producerer forskellige signaler).

Massimini forsøgte at finde en proxy for denne kompleksitet, som faktisk kunne beregnes i laboratoriet, men målet var uhåndgribeligt.

Lykkestrejken, som han husker det, kom fra en kedet brasiliansk fysiker ved navn Adenauer Casali, hvis kone arbejdede nede i gangen. Massimini tilbød Casali plads på sit kontor, hvor fysikeren brugte tiden på at læse Dante og andre italienske storheder. En dag begyndte de to at snakke, og Massimini nævnte problemet.

Han er i mit laboratorium og sidder på stolen, husker Massimini. Vi begynder at tale: ’Vi laver sådan og sådan, og vi har i øvrigt det her problem – måske du kan tilføje noget?’ Løsningen var faktisk indlysende for Casali. Alt, hvad Massimini behøvede at gøre, var at tage TMS-EEG-optagelserne og komprimere dataene ved hjælp af den samme algoritme, som en computer bruger til at komprimere filer til ZIP-format. Et signal med lav kompleksitet ville ende med at blive lille, fordi det ville indeholde så lidt unikke data. Et signal med høj kompleksitet, der indikerer et bevidst sind, ville være stort. Casali blev krediteret som en første forfatter på papiret, der introducerede kvantificeringen af PCI, og selve proceduren forbliver kendt som zap-ZIP .

Tvivlere

Det er en vanskelig ting at forfølge noget som PCI, når eksperter stadig ikke kan blive enige om, hvad bevidsthed er og ikke er. Tononi, der til tider lyder som en mystiker, forklarede bevidsthedens natur for mig med et eksempel fra hverdagen. Du ligger i sengen og sover, en drømmeløs søvn, og så vågner du og pludselig er der noget frem for ingenting, fortalte han. At noget er bevidsthed - at have en oplevelse.

I det meste af historien, opdager det noget var ikke så svært. Hvis du stillede nogen et spørgsmål og fik et fornuftigt svar, var vedkommende sandsynligvis ved bevidsthed.

Det er stadig guldstandarden, siger Massimini.

[Massimini har] vist empirisk, at når hjernenetværkene lukkes ned af anæstesi eller søvn eller hjerneskade, har du kompleksitetsmønstre, der er anderledes end dem, man ser, når nogen er vågen.
Emery Brown

Men den stigende brug af mekanisk ventilation i 1950'erne og 1960'erne var med til at skabe en betydelig population af mennesker med langvarige bevidsthedsforstyrrelser for første gang. I dag er der dem, der kan holdes i live, selvom vi ikke har bevis for, at nogen er det derinde . Og der er dem som den gråhårede mand på Gnocchi, der viser potentielle antydninger af bevidsthed, som øjne, der sporer bevægelser, men som ikke har nogen adfærdsmæssig måde at kommunikere på eller at bevise deres indre eksistens på. Bagud er et helt spektrum af svære at skelne mellem. Tononis noget er en tilstand, som vi alle umiddelbart kan identificere i os selv, men alligevel har svært ved at kende til hos andre mennesker, medmindre de fortæller os det.

Mysteriet bag anæstesi At kortlægge, hvordan vores neurale kredsløb ændrer sig under påvirkning af anæstesi, kan kaste lys over en af neurovidenskabens mest forvirrende gåder: bevidsthed.

Det gør enhver form for bevidsthed kontroversiel, endsige en hvis teoretiske grundlag er IIT. Mens nogle videnskabsmænd har kaldt IIT for den bedste teori om bevidsthed, der er fremsat til dato, er ikke alle fans. Da jeg skrev Michael Graziano, en neurovidenskabsmand ved Princeton, om hans mening om IIT og PCI, var hans svar utvetydigt.

IIT er pseudovidenskab, skrev han.

Men, fortsatte han, selv frenologi - ideen, der nu er solidt etableret som nonsens, at formen på folks hoveder kan fortælle dig om deres personlighed - hjalp med at skubbe videnskaben i 1800-tallet hen imod ideen om, at forskellige dele af hjernen havde forskellige funktioner, og at hjernebarken var noget opmærksomhed værd. Denne ændring i perspektiv førte til de fleste af de store opdagelser inden for hjernevidenskab i et århundrede, erkendte han, så PCI kan stadig være noget værd.

Emery Brown, en neurovidenskabsmand og anæstesiolog, som er direktør for Harvard-MIT-programmet i sundhedsvidenskab og teknologi, forbeholder sig sin dom og venter på, at flere beviser kommer ind. Han er forsigtig med at lade teorien drive analysen. Alligevel beundrer Brown Massimini for at lave eksperimenter, omhyggeligt analysere data og udgive resultater, som alle kan se.

Det, jeg godt kan lide ved det, når jeg hører Marcello tale om det, er, at han er en total empirist, fortalte Brown. Han har vist empirisk, at når hjernenetværkene lukkes ned af anæstesi eller søvn eller hjerneskade, har du kompleksitetsmønstre, der er anderledes end dem, man ser, når nogen er vågen.

Og den empiri gør en overbevisende sag, når PCI-værdier beregnes i faktiske mennesker.

Smuk konsistens

Kraften i Massiminis tilgang er måske bedst repræsenteret i en smukt konsistent diagram fra mange års test af teknologien.

På diagrammet er PCI-værdier beregnet fra personer, der vides at have været ved bevidsthed eller ej, registreret som prikker adskilt af en stiplet linje ved tærsklen på 0,31. I hvert enkelt tilfælde er de maksimale PCI-score registreret i ikke-drømmende søvn eller under påvirkning af en af tre forskellige bedøvelsesmidler under stregen. Og for de samme mennesker er hver eneste af de maksimale scorer, mens de er vågne, oplever drømmesøvnen af REM eller under påvirkning af ketamin (som ved bedøvelsesdoser fremkalder en drømmelignende tilstand) over stregen.

Det samme er næsten alle de maksimale scores for patienter med locked-in syndrom, og som havde oplevet slagtilfælde, som på tidspunktet for undersøgelsen var i stand til at bevise deres bevidsthed ved at kommunikere. Navnlig viste 36 ud af 38 patienter i en minimal bevidst tilstand høj kompleksitet, hvilket viser den hidtil usete følsomhed af PCI som en objektiv markør for bevidsthed.

Live TMS-EEG-optagelser af kontrolpersonens hjerne under eksperimentet.

RUSS JUSKALIAN

Men ni ud af 43 patienter, der tidligere blev betragtet som helt uden bevidsthed, scorede også over stregen. Dette rejser vanskelige spørgsmål. Uden anden måde at bevise deres bevidsthed på, og ingen måde at kommunikere på, repræsenterer disse patienter enten PCI's fiasko eller dets rædselsvækkende løfte. Deres zap-ZIP svarene var af samme kvalitet som dem hos personer med minimal bevidsthed, såvel som bevidste mennesker, når de var vågne, drømmende eller doserede med ketamin. Og faktisk et halvt år efter testning forbedredes seks af disse patienter til det punkt, at de blev klassificeret som minimalt bevidste. Nogen, det lader til, var trods alt derinde.

I de senere år har forskere i Massiminis gruppe haft mulighed for at stimulere neuroner og registrere hjerneaktivitet fra elektroder, der midlertidigt er indsat i hjernen på patienter, der er blevet opereret for epilepsi. Disse målinger afslørede en interessant mekanisme, hvorved PCI kan kollapse efter hjerneskade , hvilket fører til tab af bevidsthed. Neuronale kredsløb, der er fysisk skånet af læsionen, kan gå ind i en søvnlignende tilstand, hvilket efterlader hele hjernen ude af stand til at generere komplekse mønstre af interaktioner.

Sådan indtrængen af søvnlignende neuronal aktivitet kan kun være midlertidig hos nogle patienter, som i sidste ende vil genvinde bevidstheden, men kan fortsætte hos andre, som forbliver blokeret i en tilstand af lav kompleksitet, svarende til en langvarig vegetativ tilstand, siger Massimini. Og det, mener han, kunne give en begrundelse for at udvikle nye behandlinger for at genoplive hjernekredsløb og genoprette bevidstheden.

PCI kunne forfines i form af andre måder at forstyrre hjernen på, såsom fokuseret ultralyd eller målrettet laserlys. Eller teknologien kunne forbedres gennem bedre rumlig-tidsmæssig opløsning eller endda automatiseret scanning og beregninger af, hvor kompleksiteten maksimeres i en beskadiget hjerne.

Massimini er klar over, at PCI i sin nuværende form ikke kan sige meget om kvaliteten eller graden af bevidsthed - bare om den er der eller ej. Og han ser tærsklen på 0,31 som et klinisk mål for en sløret tilstand - det er ikke sådan, at der ved 0,30 ikke er noget som helst og ved 0,32 vises bevidstheden i fuld form. Du kan have en høj PCI-score, siger han, og det gør ikke engang en forskel, om du drømmer eller er vågen. En del af billedet mangler åbenbart.

Brækker igennem

Men Angela Comanducci, en klinisk neurofysiolog, der gik gennem Massiminis laboratorium under sin uddannelse og nu overvåger 13-sengs fløjen på Gnocchi, der er viet til bevidsthedsforstyrrelser, har allerede observeret den kliniske kraft af PCI på egen hånd. I juni 2020 blev en 21-årig kvinde bragt til afdelingen to måneder efter at have pådraget sig en traumatisk hjerneskade efter at være blevet slået. Hver klinisk diagnostisk test, eksperimentel og etableret, viste ingen tegn på bevidsthed, fortalte Comanducci mig. Situationen var så alvorlig, at patientens familie havde fået besked på at forvente, at hun ville forblive i en irreversibel vegetativ tilstand.

Brain Imaging lader vegetativ patient kommunikere. Den overraskende nye forskning vil sandsynligvis udfordre vores bevidsthedsforestillinger.

Men da Comanducci og hendes personale koblede kvinden til det omfangsrige TMS-EEG-apparat, der blev brugt til at måle hendes PCI, blev de forskrækkede over, hvad de så. Inden for få sekunder kunne jeg se på skærmen, at hun var derinde, sagde Comanducci. Den PCI, de beregnede senere samme dag, var høj - hvilket afspejlede højkompleksitets EEG-respons på TMS-stimulering - og kompatibel med en minimalt bevidst tilstand.

I løbet af de næste uger flyttede de manuelt patientens fingre, arme og ben og forsøgte at genstarte hendes hjerne, som du kunne starte et gammelt fly ved at dreje sin propel. De talte til hende, som om hun lyttede og prøvede at udløse et svar – måske et suk eller den mindste lodrette bevægelse af hendes øjne. Og de administrerede et lægemiddel kaldet amantadin i håb om at vække dele af hjernen, som de mistænkte kunne være ubeskadiget, men alligevel i en tilstand, der ligner en beskyttende søvn.

Jeg sagde til mit rehabiliteringspersonale: 'Nu skal du være detektiver,' huskede Comanducci. 'Søg overalt og find hende!'

Omkring en måned senere fandt de hende.

Med en millimeter vrikke på en enkelt finger åbnede kvinden en skrøbelig portal for kommunikation til verden udenfor. Med øvelse lærte hun at bevæge flere fingre og udskårne et system, hvormed hun kunne besvare simple spørgsmål.

Russ Juskalian er freelance skribent og fotograf, hvis arbejde har optrådt i Opdage , Smithsonian , og New York Times.

211service.com