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. Za pomocą

• Courtney Humphries strona archiwum

20 grudnia 2011

Na ekranie wideo widać mężczyznę po sześćdziesiątce, który leży bezsennie na stole operacyjnym. Tuż poza polem widzenia kamery lekarz przesuwa palcem przed twarzą mężczyzny, instruując go, aby śledził go tam iz powrotem wzrokiem. Kilka sekund później, po dawce silnego środka znieczulającego, propofolu, jego powieki zaczynają opadać. Wtedy jego źrenice przestają się ruszać. Tylko stały sygnał dźwiękowy monitora pracy serca w tle przypomina, że ​​mężczyzna nie jest martwy. Jest w śpiączce, wyjaśnia lekarz Emery Brown. Znieczulenie ogólne to odwracalna śpiączka wywołana lekami.

Jako anestezjolog w Massachusetts General Hospital (MGH), Brown jest stałym świadkiem jednego z najbardziej głębokich i tajemniczych wyczynów współczesnej medycyny. Każdego dnia prawie 60 000 pacjentów w Stanach Zjednoczonych poddaje się znieczuleniu ogólnemu, co pozwala im przetrwać nawet najbardziej makabryczne operacje bez świadomości i bólu.

Ta historia była częścią naszego wydania ze stycznia 2012

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Ale chociaż lekarze poddają ludzi od ponad 150 lat, to, co dzieje się w mózgu podczas znieczulenia ogólnego, pozostaje tajemnicą. Naukowcy nie wiedzą zbyt wiele o tym, w jakim stopniu leki te łączą się z tymi samymi obwodami mózgu, których używamy podczas snu, ani jak znieczulenie różni się od innych sposobów utraty przytomności, takich jak zapadnięcie w śpiączkę po urazie. Czy części mózgu naprawdę się wyłączają, czy po prostu przestają się ze sobą komunikować? Czym różni się znieczulenie od stanu hipnozy lub głębokiej medytacji? A co dzieje się w mózgu w przejściu między świadomością a nieświadomością? Wiemy, że możemy bezpiecznie w to wejść i wyjść, mówi Brown, ale nadal nie możemy powiedzieć, jak to działa.

Brown, który jest również neurobiologiem i profesorem na MIT, ma na celu przekształcenie znieczulenia z narzędzia wyłącznie klinicznego w potężne narzędzie do badania najbardziej podstawowych pytań dotyczących mózgu. Wierzy, że zrozumienie, co dzieje się z mózgiem pod wpływem środków znieczulających, pomoże uczynić znieczulenie bezpieczniejszym i skuteczniejszym, przy mniejszej liczbie skutków ubocznych. Może również doprowadzić do nowatorskich metod leczenia śpiączki i innych schorzeń mózgu oraz do wglądu w fundamentalne pytania neuronauki, w tym o naturę samej świadomości. Anestezjologia jest formą neuronauki, mówi George Mashour, anestezjolog i neurolog z University of Michigan. A to, co robimy na co dzień, to modulowanie praktycznie każdego aspektu układu nerwowego.

OD ROZMOWY DO PIEŚNI

Neuronauka często korzystała z naturalnych eksperymentów — pacjentów, którzy tracą zdolność zapamiętywania, mówienia lub regulowania emocji po uszkodzeniu części mózgu lub konieczności ich chirurgicznego usunięcia. Anestezjolodzy prowadzą codziennie analogiczny eksperyment: obserwują zanikanie elementów świadomości. Na przykład w znieczuleniu ogólnym pacjenci tracą percepcję bólu, świadomość, pamięć i zdolność poruszania się. Anestezjolog może w różny sposób wpływać na każdą z tych zmian, zmieniając dawki i rodzaje stosowanych leków.

Odbierając różne funkcje, które kojarzymy ze świadomością, mówi Brown, możemy zacząć układać części układanki. Neuronaukowcy mogliby zacząć robić dla świadomości to, co zrobili z pamięcią i językiem.

Brown jest częścią małej, ale rosnącej grupy badaczy anestezjologii, którzy używają elektroencefalogramu (EEG), narzędzia do monitorowania aktywności elektrycznej mózgu, aby systematycznie badać każdy aspekt znieczulenia u ludzi i zwierząt. Monitory mózgu oparte na EEG są już powszechnym widokiem na salach operacyjnych; niektórzy anestezjolodzy śledzą aktywność mózgu swoich pacjentów za pomocą dostępnych na rynku monitorów, które wykorzystują algorytmy do przekształcania sygnałów EEG w surowe wskaźniki. (Inni śledzą tylko fizyczne objawy, takie jak tętno i poziom tlenu we krwi.) Ale niewielu z nich, jak mówi, poświęca czas na przeglądanie surowych danych EEG.

Brown jednak ma inną perspektywę niż większość anestezjologów; jest także statystykem. Po otrzymaniu zarówno MD, jak i PhD na Harvardzie w późnych latach 80., podążał obiema ścieżkami oddzielnie, pracując w salach operacyjnych MGH, kierując jednocześnie laboratorium badawczym skoncentrowanym na opracowywaniu algorytmów przetwarzania sygnałów w celu wyodrębnienia informacji z danych biologicznych.

Brown nie doceniał eksperymentów neurologicznych przeprowadzanych przed nim każdego dnia podczas operacji, dopóki jeden z jego kolegów nie zasugerował przeprowadzenia badania na znieczulonych pacjentach. Obserwując ten proces, zaczynasz zdawać sobie sprawę, że części mózgu nie wyłączają się jednocześnie, mówi. Jest hierarchia, jest w niej gradacja.

To samo dotyczy sytuacji, gdy leki przestają działać. Zazwyczaj najpierw powracają najbardziej podstawowe funkcje mózgu — powraca oddech, a następnie, gdy obszary pnia mózgu kontrolujące wydzielanie śliny i kanały łzowe ożywają, usta pacjentów wypełniają się śliną, a oczy łzawią. Przełykają i kaszlą, gdy aktywują się obszary kontrolujące czucie w gardle. W końcu ich oczy się poruszają, a potem reagują na świat zewnętrzny. Później uczucie oszołomienia ustąpi, a złożone funkcje mózgu zostaną wznowione. Kiedy zwracasz uwagę i obserwujesz te przejścia, jest to po prostu niesamowite, mówi Brown. Bylibyśmy naprawdę niedbali, gdybyśmy nie posunęli się do przodu i nie spróbowali ustalić, jakie są te stany, co faktycznie dzieje się w mózgu, a następnie nie wymyślili nowych sposobów na poprawę procesu znieczulenia.

Jedną z rzeczy, które uderzyły Browna w obserwowanie EEG swoich pacjentów, jest to, jak szybko i całkowicie leki, takie jak propofol, mogą zmienić aktywność mózgu. Gdy pacjenci wchodzą w stan znieczulenia, normalny wzorzec fal o niskiej intensywności, ale wysokiej częstotliwości przechodzi w jeden z rzadszych, ale bardziej intensywnych impulsów – tak jakby nieustanna paplanina mózgu ustąpiła miejsca śpiewowi. Miejsce aktywności przesuwa się z tylnej części mózgu do przodu. Chociaż możliwe jest wprowadzenie pacjentów w tak głęboki stan nieświadomości, że ich EEG jest zasadniczo płaskie, w większości przypadków impulsy aktywności EEG przeplatają się z okresami względnej bezczynności, które mogą trwać kilka minut. Jak mówi, procesy mózgowe wydają się wysoce zorganizowane. Istnieją bardzo regularne wzorce w czasie i bardzo regularne wzorce w przestrzeni.

Wykresowanie nieświadomości: Ten spektrogram przedstawia zapisy EEG pacjenta poddanego znieczuleniu ogólnemu. Dwie dawki dożylnego propofolu znieczulającego powodują wybuchy aktywności (minuta siódma). Następnie dodaje się wziewny środek znieczulający, izofluran, iw 14 minucie rozpoczyna się charakterystyczny wzór oscylacji fal wolnych i alfa. Operacja kończy się w 16 minucie i izofluran zostaje wyłączony. EEG stopniowo przechodzi w oscylacje o wysokiej częstotliwości, mniej intensywne.

Brown mówi, że niektóre leki zmniejszają częstotliwość fal mózgowych obserwowanych w odczytach EEG, powodując powolne, regularne fale oscylacyjne w dużych obszarach mózgu. Inne leki powodują, że pewne obszary wykazują szybkie, regularne oscylacje. Ponieważ anestezjolodzy zwykle podają każdemu pacjentowi koktajl leków, efekty te mogą wystąpić jednocześnie. Rezultat, mówi Brown, jest jak zacięty sygnał: tak czy inaczej, [różne części mózgu] nie mogą się komunikować.

W ciągu ostatnich kilku lat inne badania EEG wspierały ideę, że znieczulenie nie tylko wyłącza mózg, ale raczej zakłóca jego komunikację wewnętrzną. Na przykład badania Mashoura wykazały, że podczas znieczulenia ogólnego następuje przerwanie sprzężenia zwrotnego między przednią a tylną częścią mózgu, co prowadzi do rozłączenia różnych sieci mózgowych. Uważa się, że informacja zwrotna jest ważna dla świadomości.

Podobnie Anthony Hudetz, anestezjolog z Medical College of Wisconsin w Milwaukee, mówi, że znieczulenie nie wyłącza po prostu zmysłów. Hudetz podaje znieczulenie ochotnikom na poziomie niższym niż kliniczny, aby obserwować ich mózgi, gdy popadają w nieświadomość. Odkryliśmy, że znieczulony mózg nadal bardzo reaguje na bodźce, mówi; zarówno EEG, jak i funkcjonalne obrazowanie rezonansem magnetycznym (fMRI), pośrednia metoda pomiaru aktywności mózgu, wykazują reakcję na światło i dźwięki. Ale w jakiś sposób ta informacja zmysłowa nigdy nie jest przetwarzana i integrowana z rodzajem aktywności niezbędnej dla świadomej świadomości.

Lepsze zrozumienie tych zmian może wskazać drogę do nowych metod leczenia urazów mózgu i innych zaburzeń. Wzorce wysoce ustrukturyzowanych oscylacji u pacjentów, którym podano leki znieczulające, są podobne do stanów obserwowanych u osób, które tracą przytomność podczas napadów padaczkowych lub znajdują się w głębokiej śpiączce. A półświadomość wynikająca z niskich dawek leków przypomina zwykłe czuwanie lub wczesne fazy zasypiania. Jednak dokładne ustalenie, w jaki sposób i dlaczego te wzorce są ze sobą powiązane, wymaga bliższej analizy.

MAPOWANIE AWARII KOMUNIKACJI

Aby naprawdę zrozumieć, czy załamała się komunikacja między różnymi obszarami mózgu, naukowcy potrzebują sposobu na bardziej szczegółowe odwzorowanie aktywności tych obszarów i interakcji między nimi. W tym celu zwracają się do fMRI, który mierzy zmiany w przepływie krwi związane z aktywnością nerwową (patrz Podnoszenie świadomości, styczeń/luty 2007) .

Współpracując z bioinżynierem Patrickiem Purdonem i innymi kolegami z MGH, Brown opracował sposób jednoczesnego wykonywania zapisów EEG i wykonywania skanów fMRI u pacjentów w stanie głębokiego znieczulenia. Obrazowanie mózgu u ludzi poddawanych znieczuleniu jest trudne, ponieważ wymaga znieczulenia osób w skanerze i poza normalną salą operacyjną. Brown i jego koledzy znaleźli sposób na rozwiązanie problemów technicznych i związanych z bezpieczeństwem: zrekrutowali ochotników, którzy przeszli już tracheostomię lub chirurgiczne dziury w gardle. Oznaczało to, że rurkę można było łatwo wykorzystać do przywrócenia oddychania w sytuacji awaryjnej. W 2009 roku naukowcy wykazali, że mogą bezpiecznie rejestrować zarówno dane EEG, jak i fMRI u osób pod narkozą; teraz pracują nad skorelowaniem danych obrazowania i EEG z obserwowalnymi zmianami obserwowanymi, gdy pacjenci wchodzą w stan znieczulenia.

Brown współpracuje również z Purdonem nad badaniem pacjentów z padaczką, którym przez kilka dni wszczepiono elektrody do mózgu, aby lekarze mogli rejestrować i lokalizować napady. Kiedy pacjenci przechodzą operację usunięcia obszarów mózgu zidentyfikowanych jako miejsca napadów, elektrody rejestrują fale mózgowe podczas podawania znieczulenia. Elektrody te zbierają dane o znacznie mniejszej części mózgu niż EEG lub fMRI, ale rozdzielczość jest znacznie wyższa, co pozwala naukowcom na wyczucie tego, co dzieje się w mózgu na poziomie komórkowym, gdy pacjent jest znieczulony. Dalsze badania na zwierzętach mogą dostarczyć jeszcze więcej szczegółów, umożliwiając naukowcom wszczepianie elektrod w szerszym zakresie i w precyzyjnych lokalizacjach. Naukowcy będą w stanie udokumentować – z wnętrza samego mózgu – jak aktywność zmienia się, gdy mózg przechodzi w świadomość i poza nią.

ŁĄCZĄC RAZEM ŚWIADOMOŚĆ

Jeśli potrafisz systematycznie skatalogować, w jaki sposób mózg traci przytomność pod wpływem środków znieczulających, czy możesz wydedukować, z czego składa się świadomość?

Brown szybko wskazuje, że nie studiuje wyraźnie świadomości; to kłopotliwy problem, a wielu neuronaukowców unika tego samego słowa. Jego podejście polega na badaniu tego, co nazywa odmiennymi stanami pobudzenia. Należą do nich znieczulenie, sen, śpiączka, hipnoza i medytacja, a także aspekty zaburzeń, takich jak schizofrenia, padaczka i choroba Parkinsona. Uważa, że ​​zrozumienie, w jaki sposób mózg funkcjonuje, gdy odbiega od swojego normalnego, świadomego stanu, nieuchronnie rzuci światło na to, czym jest świadomość.

Badania anestezjologiczne już podały w wątpliwość jedną popularną teorię, która łączy świadomość z określonym rodzajem fali mózgowej o częstotliwości około 40 Hz. Mashour wskazuje, że badania nad znieczuleniem pokazują, że fale te mogą istnieć nawet wtedy, gdy pacjenci są nieprzytomni. Ale wzorce, które widzą anestezjolodzy, wspierają inną teorię: że świadomość wyłania się z integracji informacji w dużych sieciach w mózgu. Hudetz mówi, że chociaż różne leki mają różne struktury chemiczne i różne efekty, takie jak blokowanie pamięci lub uspokajanie mózgu, jeśli podamy którykolwiek z tych leków w wystarczająco wysokiej dawce, w pewnym momencie usuwają one świadomość. W jaki sposób uzyskujemy ten wspólny punkt końcowy dzięki tak różnorodnym lekom działającym poprzez różne mechanizmy molekularne? Jednym z wyjaśnień jest to, że ponieważ świadomość powstaje w wyniku złożonej interakcji wielu rodzajów aktywności, może zostać zakłócona na wiele różnych sposobów.

Brown ma nadzieję, że spostrzeżenia zebrane z tej pracy mogą przenosić się na inne obszary. Więcej informacji na temat funkcjonowania mózgu w znieczuleniu może pomóc naukowcom wykryć aktywność mózgu u osób w stanach wegetatywnych, ujawniając, że mogą oni postrzegać więcej niż wcześniej sądzono. Bezpieczniejsze środki znieczulające, które mogą wyłonić się z badań, mogą być przydatne w medycynie snu, a sposoby przywracania funkcji poznawczych u znieczulonych pacjentów mogą dać początek strategiom pomagającym wybudzić ludzi ze śpiączki. Ketamina, powszechnie stosowany środek znieczulający, okazała się obiecująca w leczeniu depresji; inne leki znieczulające mogą również wykazywać działanie, które nadaje się do leczenia chorób psychicznych. Badanie utraty przytomności w znieczuleniu nie tylko oświeci naturę świadomego umysłu, ale także wydobędzie z cieni te stany stłumionej lub zmienionej świadomości.

Courtney Humphries jest pisarką naukową i autorką Superdove: Jak gołąb zabrał Manhattan… i świat .

ukryć