Podnoszenie świadomości

W 2003 roku 39-letni Terry Wallis wypowiedział swoje pierwsze słowo (mama) w ciągu 19 lat, odkąd wypadek samochodowy spowodował u niego poważne uszkodzenie mózgu. Spędził większość ostatnich dwóch dekad w stanie, który neurolodzy nazywają stanem minimalnej świadomości, gdzieś w szarej strefie między śpiączką a świadomością. Jednak w latach poprzedzających jego przebudzenie rodzina Wallisa zauważyła, że ​​stał się bardziej czujny i reagował, od czasu do czasu kiwał głową, chrząkał, a nawet płakał, aż pewnego dnia zaczął spontanicznie mówić. Chociaż Wallis nadal ma poważne zaburzenia pamięci i ruchu, nadal osiąga znaczne postępy.

Nikt nie wie, co spowodowało powrót Wallisa do przebudzonego świata. Ale neurolog Nicholas Schiff jest zdeterminowany, aby się tego dowiedzieć. Schiff, naukowiec z Weill Cornell Medical College w Nowym Jorku, jest jednym z nielicznych naukowców badających ludzi takich jak Wallis, pacjentów, którzy spędzają miesiące lub lata pozornie nieświadomi świata zewnętrznego i nie mogą się komunikować. Korzystając z nowych technik obrazowania mózgu, Schiff ma nadzieję lepiej zrozumieć złożoną naturę świadomości i znaleźć sposoby na pomoc w leczeniu tysięcy pacjentów cierpiących na poważne zaburzenia świadomości.

Ta historia była częścią naszego wydania ze stycznia 2007 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Osiem miesięcy po pierwszych słowach Wallisa, Schiff i jego współpracownicy zaczęli robić zdjęcia mózgu Wallisa przy użyciu nowej metody, która pozwala tworzyć szczegółowe mapy włókien nerwowych mózgu. To, co znaleźli, zaskoczyło ich. Przez następne półtora roku obrazy naukowców zdawały się wskazywać, że mózg Wallisa częściowo się wyleczył. Ale jak? A co wywołało proces gojenia?

W ciągu ostatnich kilku dekad ulepszone technologie medyczne utrzymały przy życiu więcej osób po urazach mózgu, ale wielu z nich zostało pozostawionych w pozornie trwałych stanach upośledzonej świadomości. Bezpośrednio po ciężkim uszkodzeniu mózgu pacjent często zapada w śpiączkę – okres nieprzytomności, który zwykle trwa kilka dni lub co najwyżej tygodni. Ci, którzy przeżyją, niekoniecznie się budzą; zamiast tego mogą wejść w stan wegetatywny lub stan minimalnej świadomości (MCS), który może trwać latami. Chociaż trudno jest określić, ilu minimalnie przytomnych pacjentów jest w Stanach Zjednoczonych (MCS zostało wprowadzone jako kategoria diagnostyczna dopiero w 2002 r.), niektóre szacunki wskazują na 25 000 lub więcej – około 10 razy więcej niż wegetatywnych pacjentów. (Te dwa stany mogą być trudne do rozróżnienia nawet dla neurologów. Pacjenci wegetatywni są definiowani jako całkowicie nieświadomi swojego otoczenia, podczas gdy pacjenci w stanie minimalnej świadomości mogą czasami śmiać się lub płakać, sięgać po przedmioty, a nawet odpowiadać na proste pytania .)

W przeciwieństwie do Wallis, większość pacjentów, którzy spędzają lata w stanie minimalnej świadomości, nigdy się nie budzi. Perspektywy powrotu do zdrowia maleją w miarę upływu czasu, więc wielu lekarzy przyjmuje rodzaj terapeutycznego nihilizmu wobec osób, które są uporczywie nieprzytomne, zakładając, że ich przypadki są beznadziejne, mówi Steven Laureys, neurolog z Uniwersytetu w Liège w Belgii. Pacjenci z MCS mają niewiele opcji leczenia, a większość nie otrzymuje rygorystycznej długoterminowej obserwacji ani intensywnej rehabilitacji. Wallis, na przykład, nie miał neurologa, a podczas jego 19-letniej przerwy w przytomności nie zebrano zbyt wiele historii medycznej.

Jednak ostatnie badania z laboratorium Schiffa i innych wykazały, że przynajmniej niektórzy z tych pozornie nieświadomych pacjentów mają zaskakująco wysoki poziom aktywności mózgu, reagując psychicznie na historie i polecenia tak, jak zrobiłby to zdrowy człowiek. Schiff i inni, którzy badają mało przytomnych pacjentów, starają się odróżnić ich od pacjentów takich jak Terri Schiavo, która zwróciła uwagę ogólnokrajowych mediów w 2005 roku. Schiavo była w stanie wegetatywnym, do którego weszła po tym, jak brak tlenu doprowadził do powszechnej śmierci komórek mózgowych. Z drugiej strony, gdy uraz mózgu jest spowodowany urazem, uszkodzenie często ogranicza się do włókien nerwowych, które łączą różne części mózgu, a niektóre obwody nerwowe mogą pozostać nienaruszone. Wśród tych pacjentów nowe badania obrazowe ujawniają zaskakujący potencjał przywrócenia normalnej aktywności mózgu.

Odkrycia dają nadzieję dla grupy ludzi w dużej mierze zagubionych przez społeczność medyczną. Schiff i inni pracują nad połączeniem zmian strukturalnych lub funkcjonalnych, które umożliwiają przebudzenie niektórych pacjentów z MCS; w końcu naukowcy mają nadzieję na zaprojektowanie terapii, które mogą pobudzić te zmiany u innych. Jednocześnie otwierają okno na ukryty świat. Świadomość to subiektywne, pierwszoosobowe doświadczenie, mówi Laureys. Bardzo trudno jest wywnioskować brak świadomości na podstawie braku reakcji przy łóżku. Może istnieć jakiś wewnętrzny świat, którego nie możemy ocenić.

Tenis mentalny

W 1998 r. Joy Hirsch, neurolog z Centrum Medycznego Uniwersytetu Columbia w Nowym Jorku, utorowała drogę do badań, które wykorzystują funkcjonalny MRI (fMRI) do oceny zaburzeń świadomości. Mierząc przepływ krwi w mózgu, fMRI może wskazać obszary, które są aktywne, gdy na przykład dana osoba odczuwa złość lub pracuje nad abstrakcyjnym problemem. Hirsch szukał sposobu na zlokalizowanie – a tym samym ochronę – obszaru językowego u niemowląt, które wymagały operacji mózgu. Podczas gdy większość wcześniejszych badań fMRI wymagała od ochotników wykonywania określonych zadań, takich jak czytanie lub mówienie, w celu aktywacji odpowiednich części mózgu, Hirsch odkrył, że samo przeczytanie bajki dzieciom może stymulować region zaangażowany w mowę. Stało się oczywiste, mówi, że tę samą technikę można zastosować do testowania funkcji poznawczych u pacjentów o minimalnej świadomości.

Wspomagani dalszymi ulepszeniami technologii obrazowania, w 2005 roku Hirsch i Schiff użyli fMRI, aby zbadać, jak dwóch pacjentów o minimalnej świadomości reagowało na historie opowiadane przez przyjaciół i członków rodziny. Wyniki były podobne do tych obserwowanych u zdrowych ochotników. Historie wywołały aktywność w ośrodkach językowych i innych obszarach mózgu, sugerując, że pewne skupiska neuronów pozostały nienaruszone i funkcjonują. Kiedy na przykład pacjent słuchał, jak siostra opowiada historie o swoim dzieciństwie, części jego układu wzrokowego zapalają się, co sugeruje, że może wyobrażać sobie te sceny.

Odkrycia wzbudziły duże zainteresowanie neurologów, ale bez bezpośrednich raportów od samych badanych trudno było dokładnie ocenić, czego doświadczali pacjenci. Czy byli uwięzieni w samotnym mentalnym więzieniu, świadomi świata na zewnątrz, ale niezdolni do reagowania na niego? Czy doświadczali tylko odosobnionych chwil świadomości? A może aktywność mózgu była po prostu rodzajem odruchu poznawczego, wywołanego przez znajomy głos i kilka sugestywnych słów lub nazw?

W 2005 roku Adrian Owen, neurolog z Medical Research Council w Cambridge w Anglii, rozpoczął serię eksperymentów, aby odpowiedzieć na te pytania. Owen i jego współpracownicy stworzyli test obrazowania mózgu, który, jak mieli nadzieję, wykaże, czy ktoś rzeczywiście był świadomy swojego otoczenia. Pacjentka z MCS została poinstruowana, aby wyobraziła sobie grę w tenisa, gdy usłyszała słowo „tenis”, albo wyobraziła sobie spacer po swoim domu, gdy usłyszała słowo „dom”; została następnie umieszczona w skanerze i otrzymała podpowiedzi słuchowe. Test miał na celu ocenę zarówno pamięci krótkotrwałej, ponieważ instrukcje zostały wydane na długo przed podpowiedziami, jak i zdolności do ciągłej uwagi, ponieważ pacjentowi powiedziano, aby kontynuował wyobrażanie sobie sceny, dopóki nie zostanie poproszony o przerwanie. Co najważniejsze, został zaprojektowany tak, aby wymagał celowego działania.

Jeśli jesteś zdrowy, wyobrażanie sobie, że grasz w tenisa lub poruszasz się po domu, aktywuje określone części mózgu – odpowiednio, dodatkowe obszary motoryczne, które kontrolują reakcje motoryczne, oraz zakręt przyhipokampowy, który odgrywa rolę w zapamiętywaniu scen. Dlatego naukowcy dokładnie wiedzieli, czego szukać u pacjentów z zaburzeniami świadomości. Badanym była 23-letnia kobieta, która została pozostawiona w stanie wegetatywnym po wypadku samochodowym w 2005 roku. W czasie badania minęło pięć miesięcy od wypadku, co oznacza, że ​​statystycznie miała 20% szansa na pewne wyzdrowienie. Nie okazywała żadnych zewnętrznych oznak świadomości.

Jak wynika z komentarza towarzyszącego ich publikacji w czasopiśmie, wyniki testu były szokujące, wręcz spektakularne Nauka ostatni upadek. Kiedy wskazaliśmy ją słowem „tenis”, jej mózg aktywował się w sposób nie do odróżnienia od zdrowej osoby, mówi Owen. To samo dotyczyło słowa dom. Uważamy, że fMRI jednoznacznie wykazało, że jest świadoma, mówi.

Podczas gdy pacjentka spełniała wszystkie wymagania kliniczne, aby być w stanie wegetatywnym, jej fMRI wyraźnie pokazało mózg zdolny do stosunkowo złożonego przetwarzania bodźców. Jednak nie jest jeszcze pewne, jakie wnioski można wyciągnąć z jej przypadku. Przebadaliśmy ponad 60 pacjentów w Belgii i nigdy nie widzieliśmy aktywacji zgodnej ze świadomym postrzeganiem, mówi Laureys. Zdecydowanie uważam, że to wyjątek, ale nie mogę powiedzieć, czy jest to przypadek jeden na tysiąc, czy jeden na milion. Owen planuje teraz przeprowadzić te same testy na większej liczbie pacjentów, używając odmiany fMRI, która pokazuje reakcje mózgu w czasie rzeczywistym.

Być może najbardziej kłopotliwe pytanie, jakie pojawiają się w wynikach, dotyczy stanu umysłu pacjentki: czy jest ona naprawdę świadoma? To kwestia pewnej debaty: Owen wierzy, że pacjentka była świadoma siebie i swojego otoczenia, ale inni neurolodzy nie są tego tacy pewni. Nikt nie wie, co tak naprawdę myślała podczas skanowania, mówi Laureys.

Odpowiedź może nadejść wraz z kolejną rundą eksperymentów Owena, które mają na celu wykonanie tego, co niektórzy uważają za najlepszy test świadomości – pytając osobę o stan jej umysłu. Wykorzystując fMRI w czasie rzeczywistym, naukowcy mogą zadawać pacjentom pytania i oceniać ich odpowiedzi na podstawie aktywności mózgu. Na przykład, ponieważ naukowcy znają wzorce aktywności związane z wyimaginowanymi grami w tenisa i spacerami po domach, mogą powiedzieć swoim pacjentom, aby myśleli o tenisie jako tak i o wycieczkach po domu jako o nie, a następnie zadawać pytania binarne podczas wykonywania skanów mózgu.

Podobnie jak odkrycia Schiffa i Hirscha, odkrycia Owena są zarówno fascynujące, jak i niepokojące, głównie dlatego, że neurolodzy nie wiedzą jeszcze, co z nimi zrobić. Czy aktywność mózgu kobiety badanej przez Owena oznacza, że ​​wkrótce się obudzi? A co z innymi pacjentami z podobnymi urazami? Schiff na przykład planuje sprawdzić, czy niektórzy z jego pacjentów, którzy wykazują widoczne oznaki świadomości, mogą powtórzyć wyniki Owena. Domyślam się, że niektórzy z nich będą w stanie to zrobić, mówi.

Uszkodzenia świadomości

Prawdopodobnie nigdy się nie dowiemy, czy Terry Wallis również miał jakąś świadomość przed przebudzeniem. Ale rodzaj obrazowania mózgu znany jako obrazowanie tensora dyfuzji (DTI) dał naukowcom wskazówki na temat tego, jak zmienił się jego mózg.

DTI to odmiana MRI, która oferuje bezprecedensowy widok systemu okablowania mózgu – długich, cienkich ogonów neuronów, które przenoszą sygnały elektryczne między różnymi regionami. Pierwszy skan DTI Wallisa, zarejestrowany osiem miesięcy po jego pierwszym słowie, ujawnił, że miał poważne uszkodzenie mózgu. Ale naukowcy odkryli również możliwe oznaki, że nowe połączenia nerwowe wyrosły między strukturami mózgu. W szczególności, duży obszar w tylnej części jego mózgu wydawał się mieć więcej włókien nerwowych niż normalnie, wszystkie zorientowane w tym samym kierunku. Obszar objęty tymi nowymi włóknami obejmował część mózgu znaną jako przedklinek, która jest bardzo aktywna podczas świadomego czuwania, ale mniej aktywna podczas snu lub znieczulenia.

Osiemnaście miesięcy po tym skanowaniu Wallis radził sobie jeszcze lepiej. Mógł poruszać sparaliżowanymi wcześniej nogami, co jest tak nieoczekiwaną poprawą, jak powrót do zdrowia, mówi Schiff. Kiedy naukowcy wykonali drugi obraz jego mózgu, odkryli, że nietypowy obszar z tyłu uległ normalizacji, podczas gdy obszar zaangażowany w regulację ruchu wydawał się być bardziej połączony. Wyniki zostały opublikowane w zeszłym roku w Journal of Clinical Investigation .

Naukowcy nie mogą jeszcze być pewni, czy zmiany, które zaobserwowali w obrazach mózgu, naprawdę wskazują na wzrost nowych połączeń neuronalnych, ani że te zmiany spowodowały powrót Wallisa do zdrowia. Dlaczego się pojawił? Nikt z nas nie może na to odpowiedzieć, mówi Hirsch. Sugeruje jednak biologiczną podstawę do wyzdrowienia.

Obrazowanie mózgu może ostatecznie zostać wykorzystane jako narzędzie diagnostyczne, które pomoże wykryć tych, którzy najprawdopodobniej wyzdrowieją. Musimy opracować lepsze sposoby modelowania i mierzenia wyłaniania się świadomości oraz zebrać wystarczającą ilość danych, abyśmy mogli tworzyć statystyczne prognozy dotyczące powrotu do zdrowia, mówi Schiff. Jednak identyfikacja charakterystycznych zmian, które przewidują przebudzenie, może być trudna. Schiff i Hirsch, oprócz Wallisa, przeskanowali ponad tuzin innych pacjentów, w tym kilku, którzy się przebudzili, i jeszcze nie znaleźli określonych wzorców lub zmian w aktywności mózgu, które mogłyby sygnalizować, że stan pacjenta poprawia się. Ale nadal przyglądają się – na przykład, czy centra sieciowe w mózgu są aktywne, czy też aktywność w różnych obszarach mózgu jest zsynchronizowana. Myślimy o pacjentach z urazowym uszkodzeniem mózgu jak o pacjentach z zaburzeniami świadomości, mówi Hirsch. Stawia hipotezę, że świadomość powstaje z sieci połączeń, a nie z określonego miejsca w mózgu.

Mózg nieustannie przetwarza informacje: obrazy i dźwięki są rejestrowane i syntetyzowane w różnych częściach mózgu, a następnie łączone w inne obszary, tworząc spójny obraz świata zewnętrznego. A wczesne dowody wskazują na związek między świadomością a zdolnością do integrowania informacji. W badaniu 60 pacjentów w stanie wegetatywnym Laureys odkrył, że siedmiu pacjentów, którzy później przebudzili się, odzyskało metabolizm mózgu w regionach łączących korę ze wzgórzem, ośrodkiem przekaźnikowym w mózgu.

Uszkodzenie mózgu może rozerwać włókna nerwowe, które przekazują wiadomości między różnymi regionami, utrudniając proces integracji. Podobnie Schiff uważa, że ​​obwody pozostawione nienaruszone u pacjentów o minimalnej przytomności i wegetatywnych mogą komunikować się nieregularnie, co utrudnia mózgowi koordynację złożonych zadań obejmujących wiele obszarów mózgu. Pacjenci z zaburzeniami świadomości wykazują również niski poziom aktywności nerwowej, mówi Schiff; ich mózgi mogą uderzyć w określone zadanie, wywołując krótkotrwałą reakcję, ale potem zanikają. Okazjonalne chwile jasności pacjenta mogą zatem pochodzić z krótkich zrywów zsynchronizowanej aktywności. Niektórzy pacjenci mogą mieć zdolność do regeneracji funkcjonalnej, ale zależy to od rekrutacji odpowiedzi neuronalnych na poziomie obwodu, aby utrzymać stan podobny do normalnego funkcjonowania mózgu, mówi Schiff. Zdarzenia emocjonalne, takie jak opis wspomnień z dzieciństwa przez siostrę, mogą lepiej aktywować te obwody, co może wyjaśniać, dlaczego historie emocjonalne wydają się wyzwalać najsilniejsze reakcje.

Zrozumienie, co powoduje zaburzenia świadomości, może ostatecznie rzucić światło na większą zagadkę: co pozwala zdrowej osobie być świadomym siebie i otoczenia? Myślę, że szczegółowe zrozumienie koniecznych i wystarczających warunków do odzyskania świadomości dostarczy niezwykle ważnego wglądu w fundamentalną naturę ludzkiego stanu świadomości, mówi Schiff.

Opuszczony

Ostatecznym celem Schiffa jest oczywiście wywołanie przebudzeń, takich jak Terry Wallis, u innych minimalnie świadomych pacjentów. Na spotkaniu neurobiologii w październiku ubiegłego roku przedstawił wstępne dowody na to, że elektryczna stymulacja wzgórza, które wysyła informacje sensoryczne do kory mózgowej, może pomóc pacjentom odzyskać przytomność. Schiff i jego zespół zastosowali głęboką stymulację mózgu – terapię stosowaną w leczeniu choroby Parkinsona, w której elektrodę wszczepia się do mózgu – do stymulacji neuronów wzgórza u 38-letniego pacjenta o minimalnej świadomości, który od sześciu lat doznał poważnego urazu mózgu zanim. Odkryli, że kiedy neurony były stymulowane, pacjent był bardziej wrażliwy i skoordynowany, a nawet był w stanie zjeść posiłek z pewną niezależnością.

Chociaż Schiff niechętnie mówi o odkryciach swojej grupy, zanim zostaną one opublikowane w recenzowanym artykule, on i inni neurolodzy są wyraźnie nimi podekscytowani. To bardzo interesująca i ważna obserwacja, mówi James Bernat, neurolog z Dartmouth Medical School, który dodaje, że wynik Schiffa jest szczególnie godny uwagi, ponieważ pacjent przez tak długi czas był w stanie minimalnej świadomości. Wcześniejsze badania nad głęboką stymulacją mózgu, prowadzone głównie w Japonii, obejmowały niedawno rannych pacjentów, u których i tak mogło dojść do poprawy.

Aby udowodnić skuteczność głębokiej stymulacji mózgu w leczeniu zaburzeń świadomości i określić, którym pacjentom może pomóc, inni badacze będą musieli powtórzyć sukces Schiffa. Ale to trudne zadanie. Badania na pacjentach mało przytomnych i wegetatywnych stanowią ogromne przeszkody – logistyka transportu pacjentów z placówek opieki długoterminowej do laboratoriów obrazowania, kwestie etyczne i prawne związane z badaniem osób, które nie mogą wyrazić świadomej zgody, oraz wyzwanie techniczne związane ze skanowaniem pacjentów, którzy może poruszać się nieprzewidywalnie i może nie być w stanie zrozumieć instrukcji, aby pozostać w bezruchu.

Ale największą barierą dla większych studiów jest finansowanie. Terry Wallis jest jednym z najbardziej niezwykłych przypadków wyzdrowienia, jakie Schiff kiedykolwiek widział. A jednak zbadał go tylko dwa razy: najpierw, gdy brytyjska stacja telewizyjna poleciała Wallisa i jego rodzinę z Arkansas do Nowego Jorku, gdzie Schiff i współpracownicy mogli przeskanować jego mózg; a potem, gdy 18 miesięcy później producenci filmu dokumentalnego HBO zapłacili Wallisowi bilet do Nowego Jorku, aby naukowcy mogli ocenić zmiany, które zaszły od pierwszego skanu.

Można by oczekiwać, że niektóre z ekscytujących badań z mało przytomnymi pacjentami w ciągu ostatnich dwóch lat przyniosą więcej pieniędzy w tej dziedzinie, ale to jeszcze się nie wydarzyło. Na początku listopada Schiff otrzymał rozczarowujące wieści: National Institutes of Health, główna agencja finansująca biomedycynę w Stanach Zjednoczonych, odmówiła finansowania większych badań nad metodami diagnostycznymi, które on i inni opracowywali. Mówi, że podczas gdy niektórzy recenzenci grantów są podekscytowani ostatnimi odkryciami, inni niechętnie wydają pieniądze na grupę pacjentów, których uważają za beznadziejnych. Myślę, że pokazuje to dyskryminujące uprzedzenie wobec tej puli pacjentów, mówi Schiff.

Neurolodzy badający zaburzenia świadomości twierdzą, że fatalizm dotyczący perspektyw ich pacjentów wykracza daleko poza mury organizacji finansujących. Na przykład rodzina Wallisa co roku przez 19 lat bez powodzenia składała petycje o neurologa. Schiff mówi, że rodziny pacjentów biorących udział w jego badaniach często mu dziękują za zainteresowanie. Ich jednolite doświadczenie jest takie, że nikogo to nie obchodzi, mówi. Są całkowicie opuszczone przez ludzi, którzy inaczej by się nimi zajęli.

Jeśli Schiff i inni mają rację, ta populacja opuszczonych pacjentów obejmuje wielu ludzi świadomych swojego otoczenia. A powrót do zdrowia Wallisa służy jako przykład tego, jak bardzo niektórzy z tych pacjentów mogliby się poprawić, jeśli można ich delikatnie popchnąć z powrotem do świata pełnej świadomości. Podczas gdy Wallis pilnie pracuje nad swoimi ćwiczeniami rehabilitacyjnymi, Schiff kontynuuje swoje wytrwałe poszukiwania wskazówek, jak wywołać u innych taki powrót do zdrowia, zbliżając się coraz bardziej do zrozumienia tajemnic świadomości.

Emily Singer jest redaktorem działu biotechnologii i nauk przyrodniczych Przegląd technologii .

ukryć