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. Ved

• Courtney Humphries arkiv side

20. december 2011

En videoskærm viser en mand i slutningen af ​​60'erne liggende vågen på et operationsbord. Lige uden for kameraets syn bevæger en læge sin finger foran mandens ansigt og instruerer ham i at følge den frem og tilbage med øjnene. Sekunder senere, efter en dosis af det kraftige bedøvelsesmiddel propofol, begynder hans øjenlåg at hænge. Så holder hans pupiller op med at bevæge sig. Kun hjertemonitorens konstante bip i baggrunden tjener som en påmindelse om, at manden ikke er død. Han er i koma, forklarer lægen, Emery Brown. Generel anæstesi er et lægemiddel-induceret reversibelt koma.

Som anæstesilæge ved Massachusetts General Hospital (MGH) er Brown konstant vidne til en af ​​moderne medicins mest dybtgående og mystiske bedrifter. Hver dag gennemgår næsten 60.000 patienter i USA generel anæstesi, hvilket gør dem i stand til at overleve selv de mest uhyggelige operationer uvidende og fri for smerte.

Denne historie var en del af vores januar 2012-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Men selvom læger har sat mennesker under i mere end 150 år, er det et mysterium, hvad der sker i hjernen under generel anæstesi. Forskere ved ikke meget om, i hvilket omfang disse stoffer indgår i det samme hjernekredsløb, som vi bruger, når vi sover, eller hvordan det at blive bedøvet adskiller sig fra andre måder at miste bevidstheden på, såsom at glide ind i koma efter en skade. Er dele af hjernen virkelig ved at lukke af, eller holder de simpelthen op med at kommunikere med hinanden? Hvordan er det at blive bedøvet anderledes end en tilstand af hypnose eller dyb meditation? Og hvad sker der i hjernen i overgangen mellem bevidsthed og ubevidsthed? Vi ved, at vi kan få dig ind og ud af dette sikkert, siger Brown, men vi kan stadig ikke helt fortælle dig, hvordan det fungerer.

Brown, som også er neuroforsker og professor ved MIT, har til formål at omdanne anæstesi fra et udelukkende klinisk værktøj til et kraftfuldt instrument til at studere de mest basale spørgsmål om hjernen. At forstå, hvad der sker med hjernen under bedøvelsesmidler, mener han, vil bidrage til at gøre bedøvelsen mere sikker og effektiv med færre bivirkninger. Det kan også føre til nye behandlinger for koma og andre hjernesygdomme - og til indsigt i fundamentale spørgsmål inden for neurovidenskab, herunder bevidsthedens natur. Anæstesiologi er en form for neurovidenskab, siger George Mashour, en anæstesiolog og neurovidenskabsmand ved University of Michigan. Og det, vi gør på daglig basis, er at modulere stort set alle aspekter af nervesystemet.

FRA SAMLING TIL SANG

Neurovidenskab har ofte nydt godt af naturlige eksperimenter - patienter, der mister deres evne til at huske, producere sprog eller regulere deres følelser, efter at dele af deres hjerne er beskadiget eller skal fjernes kirurgisk. Anæstesilæger præsiderer over et analogt eksperiment hver dag: de ser elementer af bevidsthed forsvinde. Under generel anæstesi mister patienter for eksempel smerteopfattelse, bevidsthed, hukommelse og evnen til at bevæge sig. En anæstesiolog kan påvirke hver af disse ændringer på forskellige måder ved at variere de anvendte doser og typer af lægemidler.

Ved at fjerne forskellige funktioner, som vi forbinder med bevidsthed, siger Brown, kan vi måske begynde at lægge dele af puslespillet sammen. Neurovidenskabsmænd kunne begynde at gøre for bevidstheden, hvad de har gjort med hukommelse og sprog.

Brown er en del af en lille, men voksende gruppe af anæstesiologiske forskere, der bruger elektroencefalogrammet (EEG), et værktøj til at overvåge hjernens elektriske aktivitet, til systematisk at undersøge hvert aspekt af anæstesi hos mennesker og dyr. EEG-baserede hjernemonitorer er allerede et almindeligt syn på operationsstuer; nogle anæstesilæger sporer deres patienters hjerneaktivitet med kommercielt tilgængelige monitorer, der bruger algoritmer til at omdanne EEG-signaler til råindekser. (Andre sporer kun fysiske tegn såsom hjertefrekvens og iltniveauer i blodet.) Men få af dem, siger han, bruger tid på at se på de rå EEG-data.

Brown har dog et andet perspektiv end de fleste anæstesilæger; han er også statistiker. Efter at have modtaget både en MD og en ph.d. fra Harvard i slutningen af ​​1980'erne, forfulgte han de to veje hver for sig, og arbejdede på operationsstuerne på MGH, mens han stod i spidsen for et forskningslaboratorium med fokus på at udvikle signalbehandlingsalgoritmer til at udtrække information fra biologiske data.

Brown satte ikke pris på de neurovidenskabelige eksperimenter, der fandt sted foran ham hver dag under operationen, indtil en af ​​hans kolleger foreslog at lave en undersøgelse af bedøvede patienter. Når man ser processen udvikle sig, begynder man at indse, at dele af hjernen ikke lukker ned på samme tid, siger han. Der er et hierarki, der er en graduering i det.

Det samme gælder, når stofferne forsvinder. Typisk kommer de mest basale hjernefunktioner først tilbage - vejrtrækningen vender tilbage, og derefter, efterhånden som de områder af hjernestammen, der kontrollerer spyt- og tårekanaler, genoplives, fyldes patienternes mund med spyt, og deres øjne løber i vand. De sluger og hoster, efterhånden som områder, der kontrollerer fornemmelsen i halsen, bliver aktive. Til sidst bevæger deres øjne sig, og så reagerer de på omverdenen. Senere vil grogginess løfte sig, og komplekse hjernefunktioner vil genoptages. Når du er opmærksom, og du ser de overgange, er det bare fantastisk, siger Brown. Vi ville virkelig være eftergivende, hvis vi ikke derefter gik fremad og forsøgte at finde ud af, hvad disse tilstande er, hvad der rent faktisk sker i hjernen, og derefter tænke på nye måder at forbedre anæstesiprocessen på.

En af de ting, der slog Brown ved at se sine patienters EEG'er, er, hvor hurtigt og fuldstændigt stoffer som propofol kan ændre hjerneaktivitet. Efterhånden som patienter kommer ind i en bedøvet tilstand, skifter det normale mønster af lav-intensitet, men højfrekvente bølger til en af ​​mindre hyppige, men mere intense pulser – som om hjernens konstante skravling havde givet plads til en sang. Placeringen af ​​aktivitet skifter fra bagsiden af ​​hjernen til forsiden. Selvom det er muligt at bringe patienter ind i en så dyb tilstand af bevidstløshed, at deres EEG i det væsentlige er flad, veksler udbrud af EEG-aktivitet i de fleste tilfælde med perioder med relativ inaktivitet, der kan vare i minutter. Hjerneprocesserne fremstår meget organiserede, siger han. Der er meget regelmæssige mønstre i tid, og meget regelmæssige mønstre i rummet.

Kortlægning af det ubevidste: Dette spektrogram viser EEG-optagelser fra en patient, der gennemgår generel anæstesi. To doser af det intravenøse bedøvelsesmiddel propofol fører til udbrud af aktivitet (minut syv). Derefter tilsættes et inhaleret bedøvelsesmiddel, isofluran, og ved minut 14 begynder et karakteristisk mønster af slow-wave og alfa oscillationer. Operationen afsluttes ved minut 16, og isofluranen slukkes. EEG'et skifter gradvist til højfrekvente, mindre intense svingninger.

Brown siger, at nogle lægemidler vil reducere frekvensen af ​​hjernebølger set i EEG-aflæsninger, hvilket resulterer i langsomme, regelmæssige oscillerende bølger over store områder af hjernen. Andre lægemidler får visse områder til at vise hurtige, regelmæssige svingninger. Fordi anæstesilæger normalt giver en cocktail af lægemidler til hver patient, kan disse virkninger ske samtidigt. Resultatet, siger Brown, er som et fastklemt signal: Uanset hvad kan [de forskellige dele af hjernen] ikke kommunikere.

I løbet af de sidste par år har andre EEG-undersøgelser understøttet ideen om, at anæstesi ikke blot lukker hjernen ned, men snarere forstyrrer dens interne kommunikation. Mashours forskning har for eksempel vist, at feedback mellem for- og bagsiden af ​​hjernen afbrydes under generel anæstesi, hvilket fører til en afbrydelse mellem forskellige hjernenetværk. Den feedback menes at være vigtig for bevidstheden.

Tilsvarende siger Anthony Hudetz, en anæstesiolog ved Medical College of Wisconsin i Milwaukee, at anæstesi ikke bare slukker for sanserne. Hudetz administrerer anæstesi til frivillige på lavere niveauer end kliniske for at observere deres hjerner, når de glider ind i bevidstløshed. Det, vi finder, er, at den bedøvede hjerne stadig er meget reaktiv over for stimuli, siger han; både EEG og funktionel magnetisk resonansbilleddannelse (fMRI), en indirekte metode til at måle hjerneaktivitet, viser respons på lys og lyde. Men på en eller anden måde bliver den sensoriske information aldrig behandlet og integreret i den type aktivitet, der er nødvendig for bevidst bevidsthed.

Bedre forståelse af disse ændringer kunne pege på en vej mod nye behandlinger for hjerneskade og andre lidelser. Mønstrene af meget strukturerede svingninger hos patienter, der får bedøvelsesmidler, ligner tilstande, der ses hos mennesker, der mister bevidstheden under epileptiske anfald, eller som er i dyb koma. Og den halvbevidsthed, der er resultatet af lave doser af stofferne, ligner almindelig vågenhed eller de tidlige stadier af at falde i søvn. Men at finde ud af præcis, hvordan og hvorfor disse mønstre er relaterede, vil tage nærmere undersøgelse.

KORTLÆGNING AF KOMMUNIKATIONSFORBINDELSEN

For virkelig at forstå, om kommunikationen mellem forskellige hjerneområder er brudt sammen, har forskerne brug for en måde at kortlægge aktiviteten i disse regioner og interaktionen mellem dem i større rumlige detaljer. Til det, henvender de sig til fMRI, som måler ændringerne i blodgennemstrømningen forbundet med neural aktivitet (se Raising Consciousness, januar/februar 2007) .

I samarbejde med bioingeniør Patrick Purdon og andre kolleger på MGH har Brown udviklet en måde at tage EEG-optagelser på og udføre fMRI-scanninger på patienter, når de går ind i en dybt bedøvet tilstand. Hjernebilleddannelse hos mennesker, der gennemgår anæstesi, er vanskelig, fordi det kræver bedøvelse af mennesker i en scanner og uden for en normal operationsstue. Brown og hans kolleger fandt en måde at løse de tekniske og sikkerhedsmæssige problemer på: de rekrutterede frivillige, der allerede havde fået trakeostomier eller kirurgiske huller i halsen. Det betød, at et rør nemt kunne bruges til at genoprette deres vejrtrækning i en nødsituation. I 2009 demonstrerede forskerne, at de sikkert kunne optage både EEG- og fMRI-data på personer under anæstesi; nu arbejder de på at korrelere billeddannelses- og EEG-dataene med de observerbare ændringer, der ses, når patienter kommer i en bedøvet tilstand.

Brown arbejder også sammen med Purdon for at studere epilepsipatienter, der har fået implanteret elektroder i deres hjerner i flere dage, så klinikere kan registrere og lokalisere anfald. Når patienterne gennemgår en operation for at fjerne de hjerneområder, der er identificeret som anfaldssteder, registrerer elektroderne hjernebølger, mens anæstesi administreres. Disse elektroder indsamler data om en meget mindre del af hjernen end EEG eller fMRI, men opløsningen er meget højere, hvilket gør det muligt for forskere at få en fornemmelse af, hvad der sker i hjernen på cellulært niveau, når patienten er bedøvet. Opfølgningsundersøgelser i dyr kunne give endnu flere detaljer ved at give forskerne mulighed for at implantere elektroder mere omfattende og på præcise steder. Forskerne vil kunne dokumentere – inde fra hjernen selv – hvordan aktiviteten ændrer sig, når hjernen glider ind og ud af bevidstheden.

SAMMEN BEVÆGTIGHED

Hvis du systematisk kan katalogisere, hvordan hjernen mister bevidstheden under påvirkning af bedøvelsesmidler, kan du så udlede, hvad bevidsthed består af?

Brown er hurtig til at påpege, at han ikke eksplicit studerer bevidsthed; det er et rodet problem, og mange neurovidenskabsmænd undgår selve ordet. Hans tilgang er at studere, hvad han kalder ændrede ophidselsestilstande. Disse omfatter anæstesi, søvn, koma, hypnose og meditation, såvel som aspekter af lidelser som skizofreni, epilepsi og Parkinsons sygdom. Han mener, at forståelsen af, hvordan hjernen fungerer, når den afviger fra sin normale bevidsthedstilstand, uundgåeligt vil kaste lys over, hvad bevidsthed er.

Anæstesiundersøgelser har allerede sået tvivl om en populær teori, som forbinder bevidsthed med en bestemt type hjernebølge med en frekvens omkring 40 hertz. Mashour påpeger, at forskning i anæstesi viser, at disse bølger kan eksistere, selv når patienter er bevidstløse. Men de mønstre, som anæstesiologer ser, understøtter en anden teori: at bevidsthed opstår ved integration af information på tværs af store netværk i hjernen. Hudetz siger, at selvom forskellige stoffer har forskellige kemiske strukturer og forskellige virkninger, såsom blokering af hukommelsen eller beroligende hjernen, fjerner de på et tidspunkt bevidstheden, hvis vi giver nogen af ​​disse stoffer i en tilstrækkelig høj dosis. Hvordan får vi dette fælles slutpunkt ved at så mange forskellige lægemidler virker gennem forskellige molekylære mekanismer? En forklaring er, at fordi bevidsthed opstår fra det komplekse samspil mellem mange slags aktiviteter, kan det forstyrres på mange forskellige måder.

Brown håber, at indsigten fra dette arbejde kan smitte af på andre områder. At vide mere om, hvordan hjernen fungerer under anæstesi, kan hjælpe forskere med at opdage hjerneaktivitet hos mennesker i vegetative tilstande, hvilket afslører, at de kan opfatte mere end tidligere antaget. De sikrere bedøvelsesmidler, der kan komme ud af forskningen, kan være nyttige i søvnmedicin, og måder at genoplive kognitiv funktion hos bedøvede patienter kan give anledning til strategier til at hjælpe med at bringe folk ud af koma. Ketamin, et almindeligt anvendt bedøvelsesmiddel, har vist sig lovende som en behandling for depression; andre anæstesimidler kan også vise sig at have virkninger, der egner sig til behandling af psykiatriske sygdomme. At studere tabet af bevidsthed i anæstesi vil ikke blot belyse det bevidste sinds natur, men bringe disse tilstande af dæmpet eller ændret bevidsthed ud af skyggerne.

Courtney Humphries er en videnskabsforfatter og forfatter til Superdove: Hvordan duen tog Manhattan … og verden .

skjule