Polowanie na ukryte oznaki świadomości u niedostępnych pacjentów

Eksperci mogą nie zgadzać się co do tego, czym jest świadomość, a czym nie. Ale to nie powstrzymało Marcello Massimini przed zajrzeniem do umysłów osób z głębokimi uszkodzeniami mózgu, aby ustalić, czy ktoś nadal jest w środku – i jak postępować z leczeniem.

Russ Juskalian

za pomocą

• Russ Juskalian strona archiwum

25 sierpnia 2021

Na pierwszy rzut oka nie ma nic niezwykłego w mało inspirującym szpitalu w zachodniej części Mediolanu, pieszczotliwie zwanym Gnocchi. Ale dwa piętra wyżej, na odosobnionym skrzydle Don Carlo Gnocchi IRCCS Centrum S. Marii Nascente , niekomunikatywny mężczyzna z poważnym uszkodzeniem mózgu zostaje podłączony do zestawu technologicznego, który według naukowców może im powiedzieć, czy jest przytomny.

Mężczyzna siedzi na zmotoryzowanym fotelu dentystycznym, z głową przechyloną do tyłu i niebieską maską chirurgiczną zakrywającą usta i nos. Biała czapka z siatki usiana 60 elektrodami, z których każda jest podłączona do dwumetrowego kabla, jest przytrzymywana paskiem pod brodą. Unosząca się nad nim matryca podczerwieni umieszczona na przegubowym ramieniu odbija sygnały od czujników przymocowanych do skroni mężczyzny, aby wytworzyć ruchomą, zbudowaną z rezonansu magnetycznego nakładkę jego mózgu na pobliskim monitorze. Badacz obserwujący monitor przyciska następnie biały plastikowy owal do czaszki mężczyzny i kieruje impulsy elektromagnetyczne na obszary jego mózgu wielkości Tic Tac.

Ta historia była częścią naszego wydania z września 2021 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Każdy impuls wydaje słyszalne kliknięcie. Trzy ciężkie kable, każdy o grubości węża ogrodowego, zwijają się zza urządzenia do maszyny wartej ćwierć miliona dolarów, która steruje wydajnością. Po drugiej stronie pokoju Marcello Massimini, niebieskooki neurobiolog z kręconymi włosami, i Angela Comanducci, neurolog pacjenta, obserwują na laptopie, jak skomplikowane niebieskie fale reprezentujące fale mózgowe wypełniają ekran w czasie zbliżonym do rzeczywistego. To, co naukowcy widzą w nich, to najsłabszy znak liminalnej, być może sennej, świadomości.

Osoba zdrowa służy jako obiekt testowy miernika świadomości.

RUSS JUSKALIAN

W laboratorium komputer przypisze tym zapisom fal mózgowych liczbę od 0 do 1 — tak zwany wskaźnik złożoności perturbacyjnej lub PCI. Ta pojedyncza liczba, według Massimini i jego współpracowników, jest surową miarą złożoności, która ujawnia, czy dana osoba jest świadoma. Naukowcy obliczyli nawet granicę 0,31, która, zgodnie z badaniem technologii u osób zdrowych i z uszkodzeniem mózgu z 2016 r., rozróżniała stany nieświadome i przytomne ze 100% czułością i 100% swoistością. Innymi słowy, działa dobrze — naprawdę dobrze.

Bardziej niepokojące jest to, że badacze obliczyli PCI na grupie pacjentów z zespół niereagującego czuwania (UWS, stan znany wcześniej jako stan wegetatywny), odkryli, że około jedna piąta miała wartość PCI w rozkładzie świadomości. Nawet jeśli [taki] pacjent zupełnie nie reaguje, nie ma żadnych oznak świadomości, powiedział mi Massimini, można śmiało powiedzieć, że ten pacjent jest mimo to przytomny.

Taki przełom reprezentuje najdokładniejszy miernik świadomości, jaki kiedykolwiek widziano w medycynie (nawet jeśli nadal jest surowy, szczątkowy i nierafinowany). Konsekwencje medyczne są dalekosiężne. Szacunki sugerują, że na całym świecie jest do 390 000 osób z przedłużonym zaburzenia świadomości . Niektórzy z nich, nie reagując, mogą być traktowani tak, jakby nikogo tam nie było – podczas gdy doświadczają świata na jawie, samotnie i nie mogą wydostać się ze swojego cielesnego więzienia tak długo, jak żyją.

Massimini jest przekonany, że PCI może pomóc w identyfikacji tych osób.

W lipcu 2021 roku, kiedy odwiedziłem go w Mediolanie, Massimini współpracował z innymi badaczami w Mediolanie, Bostonie, Los Angeles i nie tylko. W międzyczasie pomiary PCI są już wykorzystywane w Gnocchi, aby pomóc w prowadzeniu diagnozy i określeniu możliwości częściowego wyzdrowienia.

Rozwiązanie

PCI narodziło się z poszukiwań pokonania prawie stu lat przeszkód stojących na drodze pomiaru świadomości. Od 1924 roku, kiedy Hans Berger wynalazł elektroencefalografię (EEG), naukowcy próbowali uzyskać dostęp do odpowiedzi elektrycznych, których nasz mózg używa do komunikowania się, mając nadzieję zobaczyć, przewidzieć i zmierzyć, co dzieje się za 6,5-milimetrową ochroną naszych czaszek. Wynalazek Bergera wykrył zmiany w skokach napięcia wytwarzanego przez nasze neurony — przekształcając te sygnały w sejsmografopodobne zawijasy spopularyzowane jako fale mózgowe.

Standardowe wzorce EEG obejmują szybkie fale alfa, oscylujące około 10 razy na sekundę i powszechne w świadomości, oraz wolne fale delta, oscylujące około raz na sekundę i powszechne podczas snu bez snów lub pod narkozą. Ale bierne słuchanie mózgu za pomocą EEG jest niedoskonałym sposobem określania świadomości, ponieważ wyjątki czają się wszędzie.

Znieczulająca ketamina może pobudzać mózg, powodując naprzemienne fale alfa i delta. Niektóre typy pacjentów w śpiączce wykazują szybkie drgania, gdy są nieprzytomni. A ludzie pod wpływem atropiny lub podczas napadów padaczkowych, zwanego stanem padaczkowym, zgłaszają, że są przytomni, podczas gdy mają wolne fale mózgowe typowe dla utraty przytomności.

Jeszcze większym problemem jest to, że sama aktywność mózgu pacjenta — wynik krótkiego okresu koncentracji uwagi, senności, świadomego lub mimowolnego ruchu, rozproszenia wzroku, a nawet braku chęci wykonywania instrukcji — może powodować przekrzywienie biernego EEG i reakcję w sposób, który sprawiają, że jego wiadomości stają się bałaganem.

Argumentem za PCI jest to, że twierdzi się, że jest obiektywną miarą świadomości - stosunkowo prostym tak lub nie. To, co odróżnia ją od zwykłego EEG, według Massimini, polega na tym, że podczas gdy starsza technologia mierzy tylko bieżącą aktywność mózgu, PCI mierzy zdolność mózgu do podtrzymywania złożonych interakcji wewnętrznych. Możesz to zrobić, mówi, jeśli pukasz do mózgu, a następnie śledzisz, jak to zaburzenie filtruje, odbija się echem i działa, gdy przechodzi przez fantastycznie złożoną architekturę 86 miliardów neuronów i ich 100 bilionów połączeń w ludzkim mózgu .

To pukanie lub zastrzelić jest dostarczany przez przezczaszkową stymulację magnetyczną (TMS), która istnieje w nowoczesnej formie od lat 80. XX wieku: różdżkę przykłada się do głowy, aby wystrzelić impuls elektromagnetyczny do mózgu. Kiedy jest używany do celowania w korę ruchową, TMS może wywołać mimowolne drganie ręki; kiedy celuje w korę wzrokową, może wywołać w umyśle obrazy przypominające błyskawice.

Aby wygenerować odczyt PCI, Massimini wykorzystuje TMS w korze mózgowej. Następnie używa EEG do pomiaru tego, co się dzieje. Jest to jakość post- zastrzelić sygnał, który prowadzi do wyniku.

Marcello Massimini w swoim biurze w Mediolanie.

RUSS JUSKALIAN

To, czego Massimini szuka w tym zaburzonym EEG, to szczególny rodzaj złożoności, która jest zorganizowana, ale niezbyt zorganizowana. Świadomy umysł nie wytwarza ani idealnie zsynchronizowanych fal kamienia wrzuconego do wyimaginowanego stawu, ani idealnie wymieszanego szumu śniegu między kanałami analogowego telewizora. Szablon świadomości przypomina bardziej skomplikowany chaos — unikalny wzór pośród prawie nieskończonej liczby możliwości, z falami mózgowymi wyglądającymi podobnie w niektórych obszarach, a głęboko odmiennymi w innych.

Na ekranie w szpitalu wysoki PCI wygląda jak seria zawijasów, które zaczynają się podobnie, ale różnią się od siebie, gdy poruszają się po geografii mózgu. Niski poziom PCI jest jeszcze łatwiejszy do zauważenia: albo masz wszędzie tę samą długą, powolną falę, albo falę w jednej części mózgu i ciszę wszędzie indziej.

Przez lata Massimini i inni mogli dosłownie oglądać rejestrację świadomości na ekranie, ale byli zakłopotani tym, jak ją określić ilościowo.

Mieli wskazówki, jak postępować, ponieważ poszukiwanie PCI zostało zbudowane na fundamencie zintegrowana teoria informacji (IIT), kontrowersyjny model świadomości zaproponowany przez Giulio Tononiego, profesora psychiatrii z University of Wisconsin School of Medicine (patrz strona 82). TIZ twierdzi, że świadomy mózg ma wysoki poziom integracji (jego różne części wpływają na siebie) przy wysokim poziomie zróżnicowania (części wytwarzają różne sygnały).

Massimini próbował znaleźć odpowiednik tej złożoności, który można by obliczyć w laboratorium, ale cel był nieuchwytny.

Szczęśliwy traf, jak wspomina, pochodził od znudzonego brazylijskiego fizyka Adenauera Casali, którego żona pracowała na korytarzu. Massimini zaoferował Casali miejsce w swoim gabinecie, gdzie fizyk spędzał czas czytając Dantego i innych włoskich mistrzów. Pewnego dnia obaj zaczęli rozmawiać, a Massimini wspomniał o problemie.

Siedzi w moim laboratorium na krześle, wspomina Massimini. Zaczynamy rozmawiać: „Robimy to i tamto, a przy okazji mamy ten problem – może mógłbyś coś dodać?” Rzeczywiście, rozwiązanie było dla Casali oczywiste. Wszystko, co musiał zrobić Massimini, to wziąć nagrania TMS-EEG i skompresować dane przy użyciu tego samego algorytmu, którego używa komputer do kompresji plików do formatu ZIP. Sygnał o niskiej złożoności byłby bardzo mały, ponieważ zawierałby tak mało unikalnych danych. Sygnał o wysokiej złożoności wskazujący na świadomy umysł byłby duży. Casali został uznany za pierwszego autora artykułu wprowadzającego kwantyfikację PCI, a sama procedura pozostaje znana jako zap-ZIP .

Wątpliwości

Trudno jest realizować coś takiego jak PCI, kiedy eksperci wciąż nie mogą dojść do porozumienia, czym jest świadomość, a czym nie. Tononi, który czasem brzmi jak mistyk, wyjaśnił mi naturę świadomości przykładem z życia codziennego. Leżysz w łóżku i śpisz, sen bez snów, a potem budzisz się i nagle jest coś, a nie nic, powiedział mi. Tym czymś jest świadomość – posiadanie doświadczenia.

Przez większość historii wykrycie tego coś nie było takie trudne. Jeśli zadałeś komuś pytanie i dostałeś rozsądną odpowiedź, prawdopodobnie ta osoba była przytomna.

To wciąż złoty standard, mówi Massimini.

[Massimini] wykazał empirycznie, że kiedy sieci mózgowe są wyłączane przez znieczulenie, sen lub uszkodzenie mózgu, wzorce złożoności różnią się od tych obserwowanych, gdy ktoś nie śpi.

Szmaragdowy Brown

Jednak coraz częstsze stosowanie wentylacji mechanicznej w latach 50. i 60. pomogło po raz pierwszy w stworzeniu znacznej populacji osób z długotrwałymi zaburzeniami świadomości. Dziś są tacy, których można utrzymać przy życiu, mimo że nie mamy żadnych dowodów na to, że ktoś jest tam . Są też tacy, jak siwowłosy mężczyzna w Gnocchi, którzy wykazują potencjalne ślady świadomości, jak oczy śledzące ruch, ale nie mają behawioralnego sposobu komunikowania się ani udowadniania swojej wewnętrznej egzystencji. Beyond to całe spektrum trudnych do odróżnienia stanów. Tononiego coś jest stanem, który wszyscy możemy natychmiast zidentyfikować w sobie, ale trudno nam o nim wiedzieć u innych ludzi, chyba że nam o tym powiedzą.

Powiązana historia

Tajemnica znieczulenia Mapowanie, w jaki sposób nasze obwody neuronowe zmieniają się pod wpływem znieczulenia, może rzucić światło na jedną z najbardziej kłopotliwych zagadek neuronauki: świadomość.

To sprawia, że ​​każda miara świadomości jest kontrowersyjna, nie mówiąc już o takiej, której teoretyczną podstawą jest TIZ. Podczas gdy niektórzy naukowcy nazwali TIZ najlepszą wysuwaną do tej pory teorią świadomości, nie każdy jest fanem. Kiedy napisałem do Michaela Graziano, neurologa z Princeton, o jego opinii na temat TIZ i PCI, jego odpowiedź była jednoznaczna.

TIZ to pseudonauka, pisał.

Ale, kontynuował, nawet frenologia – idea, teraz mocno ugruntowana jako nonsens, że kształt ludzkich głów może powiedzieć ci o ich osobowości – pomogła popchnąć naukę w XIX wieku w kierunku idei, że różne części mózgu mają różne funkcje i że kora mózgowa była warta uwagi. Przyznał, że ta zmiana perspektywy doprowadziła do większości najważniejszych odkryć w naukach o mózgu od stulecia, więc PCI może nadal być coś warte.

Emery Brown, neurobiolog i anestezjolog, który jest dyrektorem programu Harvard-MIT w dziedzinie nauk o zdrowiu i technologii, zastrzega sobie osąd, czekając na więcej dowodów. Jest ostrożny, aby teoria kierowała analizą. Jednak Brown podziwia Massimini za przeprowadzanie eksperymentów, uważną analizę danych i publikowanie wyników, które każdy może zobaczyć.

To, co mi się w tym podoba, kiedy słyszę, jak Marcello o tym mówi, to to, że jest totalnym empirystą, powiedział mi Brown. Pokazał empirycznie, że kiedy sieci mózgowe są wyłączane przez znieczulenie, sen lub uszkodzenie mózgu, wzorce złożoności różnią się od tych obserwowanych, gdy ktoś nie śpi.

I ten empiryzm jest przekonującym argumentem, gdy wartości PCI są obliczane na rzeczywistych ludziach.

Piękna konsystencja

Siła podejścia Massiminiego jest chyba najlepiej odzwierciedlona w pięknie spójnej wykres od lat testowania technologii.

Na wykresie wartości PCI obliczone od osób, o których wiadomo, że były przytomne lub nie, są rejestrowane jako kropki oddzielone przerywaną linią na progu 0,31. W każdym przypadku maksymalne wyniki PCI zarejestrowane podczas snu bez snów lub pod wpływem jednego z trzech różnych leków znieczulających są poniżej kreski. I dla tych samych osób, każdy z maksymalnych wyników na jawie, podczas snu REM lub pod wpływem ketaminy (która w dawkach znieczulających wywołuje stan podobny do snu) jest powyżej granicy.

Tak samo są prawie wszystkie maksymalne wyniki dla pacjentów z zespołem zamknięcia i po udarze, którzy w czasie badania byli w stanie udowodnić swoją świadomość poprzez komunikowanie się. Warto zauważyć, że 36 z 38 pacjentów w stanie minimalnej świadomości wykazało wysoką złożoność, wykazując bezprecedensową czułość PCI jako obiektywnego markera świadomości.

Nagrania na żywo TMS-EEG mózgu osoby kontrolnej podczas eksperymentu.

RUSS JUSKALIAN

Ale dziewięciu z 43 pacjentów wcześniej uważanych za całkowicie pozbawionych przytomności również uzyskało wynik powyżej linii. Rodzi to trudne pytania. Nie mając innego sposobu udowodnienia swojej świadomości ani możliwości komunikacji, ci pacjenci reprezentują albo porażkę PCI, albo jej przerażającą obietnicę. Ich zap-ZIP odpowiedzi były podobne pod względem jakości do odpowiedzi osób o minimalnej świadomości, a także osób świadomych, gdy nie śpią, śnią lub otrzymują ketaminę. I faktycznie, pół roku po testach, sześciu z tych pacjentów poprawiło się do tego stopnia, że ​​zostali sklasyfikowani jako osoby o minimalnej świadomości. Wygląda na to, że ktoś tam był.

W ostatnich latach naukowcy z grupy Massiminiego mieli okazję stymulować neurony i rejestrować aktywność mózgu za pomocą elektrod tymczasowo wprowadzonych do mózgów pacjentów poddawanych operacji padaczki. Pomiary te ujawniły ciekawy mechanizm, dzięki któremu PCI może się zapaść po uszkodzeniu mózgu , co prowadzi do utraty przytomności. Obwody neuronalne, które są fizycznie oszczędzone przez uszkodzenie, mogą wejść w tryb podobny do snu, pozostawiając cały mózg niezdolny do generowania złożonych wzorców interakcji.

Takie wtargnięcie aktywności neuronalnej podobnej do snu może być tylko tymczasowe u niektórych pacjentów, którzy w końcu odzyskają przytomność, ale może utrzymywać się u innych, którzy pozostają zablokowani w stanie niskiej złożoności, co odpowiada przedłużonemu stanowi wegetatywnemu, mówi Massimini. A to, jak sądzi, może dostarczyć uzasadnienia dla opracowania nowatorskich terapii, które obudzą obwody mózgowe i przywrócą świadomość.

PCI można udoskonalić w postaci innych sposobów zakłócania mózgu, takich jak skupione ultradźwięki lub ukierunkowane światło laserowe. Można też ulepszyć technologię dzięki lepszej rozdzielczości przestrzenno-czasowej, a nawet zautomatyzowanemu skanowaniu i obliczeniom obliczeniowym, gdzie złożoność jest zmaksymalizowana w uszkodzonym mózgu.

Massimini jest jasne, że w swojej obecnej formie PCI nie może wiele powiedzieć o jakości lub stopniu świadomości — tylko o tym, czy istnieje, czy nie. I widzi próg 0,31 jako kliniczną miarę rozmytego stanu – nie jest tak, że przy 0,30 nie ma w ogóle nic, a przy 0,32 świadomość pojawia się w pełnej formie. Możesz mieć wysoki wynik PCI, mówi, i nawet nie ma znaczenia, czy śnisz, czy nie śpisz. Oczywiście brakuje części obrazu.

Przebijanie się

Ale Angela Comanducci, neurofizjolog kliniczny, która przeszła przez laboratorium Massimini podczas treningu, a teraz nadzoruje 13-łóżkowe skrzydło w Gnocchi, poświęcone zaburzeniom świadomości, już na własne oczy zaobserwowała kliniczną moc PCI. W czerwcu 2020 roku 21-letnia kobieta została przywieziona na oddział dwa miesiące po tym, jak doznała urazowego uszkodzenia mózgu w wyniku pobicia. Każdy kliniczny test diagnostyczny, eksperymentalny i ustalony, nie wykazywał żadnych oznak świadomości, powiedział mi Comanducci. Sytuacja była tak tragiczna, że ​​powiedziano rodzinie pacjentki, że oczekuje, iż pozostanie ona w nieodwracalnym stanie wegetatywnym.

Powiązana historia

Obrazowanie mózgu pozwala pacjentowi wegetatywnemu komunikować się Zaskakujące nowe badania mogą podważyć nasze pojęcie świadomości.

Ale kiedy Comanducci i jej personel podłączyli kobietę do nieporęcznego aparatu TMS-EEG używanego do pomiaru jej PCI, byli zaskoczeni tym, co zobaczyli. W ciągu kilku sekund mogłem zobaczyć na ekranie, że tam była, powiedział Comanducci. PCI, którą obliczyli później tego dnia, było wysokie — odzwierciedlając odpowiedź EEG o wysokiej złożoności na stymulację TMS — i zgodne ze stanem minimalnej świadomości.

W ciągu następnych tygodni ręcznie poruszali palcami, rękami i nogami pacjentki, próbując zrestartować jej mózg tak, jak można uruchomić stary samolot, obracając jego śmigło. Mówili do niej tak, jakby nasłuchiwała, próbując wywołać reakcję – być może westchnienie albo najmniejszy pionowy ruch jej oczu. I podali lek zwany amantadyną, mając nadzieję, że obudzą części mózgu, które, jak podejrzewali, mogą być nieuszkodzone, ale w stanie przypominającym sen ochronny.

Powiedziałem mojemu personelowi rehabilitacyjnemu: „Teraz musicie być detektywami” – wspominał Comanducci. „Szukaj wszędzie i znajdź ją!”

Mniej więcej miesiąc później znaleźli ją.

Milimetrowym ruchem jednego palca kobieta otworzyła delikatny portal komunikacji ze światem zewnętrznym. Z praktyką nauczyła się poruszać większą liczbą palców, tworząc system, za pomocą którego mogłaby odpowiadać na proste pytania.

Russ Juskalian jest niezależnym pisarzem i fotografem, którego prace ukazały się w Odkryć , Smithsonian , a New York Times.