Honba za skrytými známkami vědomí u nedosažitelných pacientů

Odborníci se nemusí shodnout na tom, co vědomí je nebo není. To však nezabránilo Marcellu Massiminimu nahlédnout do myslí lidí s hlubokým poraněním mozku, aby zjistil, zda je někdo stále uvnitř – a jak postupovat při léčbě.

Russ Juskalian

podle

• Russ Juskalian archivní stránka

25. srpna 2021

Na první pohled není nic pozoruhodného na neinspirované nízkopodlažní nemocnici na západní straně Milána, láskyplně známé jako Gnocchi. Ale o dvě patra výš, na izolovaném křídle Don Carlo Gnocchi Centrum IRCCS S. Maria Nascente , nekomunikativní muž s vážným poraněním mozku je napojen na technologickou sadu, o které se zdejší vědci domnívají, že jim může říct, jestli je při vědomí.

Muž sedí v něčem, co připomíná motorizované zubařské křeslo, hlavu nakloněnou dozadu a modrou chirurgickou masku zakrývající ústa a nos. Bílá síťovaná čepice posetá 60 elektrodami, z nichž každá je připojena k dvoumetrovému kabelu, drží na místě pásek pod bradou. Infračervené pole umístěné na kloubovém rameni, které se vznáší nad ním, odráží signály od senzorů připojených k mužově spánkům a vytváří pohyblivé, magnetickou rezonancí vytvořené překrytí jeho mozku na nedalekém monitoru. Výzkumník sledující monitor poté přitlačí bílý plastový ovál na mužovu lebku a zaměří elektromagnetické pulsy na oblasti jeho mozku o velikosti Tic Tac.

Tento příběh byl součástí našeho vydání ze září 2021

• Viz zbytek čísla
• předplatit

Každý impuls vydá slyšitelné cvaknutí. Tři těžké kabely, každý asi tak tlustý jako zahradní hadice, se vinou zpoza zařízení do stroje za čtvrt milionu dolarů, který řídí výstup. Na druhé straně místnosti Marcello Massimini, modrooký neurolog s kudrnatými vlasy, a Angela Comanducci, neuroložka pacienta, sledují na notebooku komplikované modré vlnovky představující mozkové vlny téměř v reálném čase. To, co na nich vědci vidí, je nejslabší známka hraničního, možná snového vědomí.

Zdravý člověk slouží jako testovací subjekt pro měřič vědomí.

RUSS JUSKALIAN

Zpět v laboratoři počítač přiřadí těmto záznamům mozkových vln číslo od 0 do 1 – takzvaný index perturbační složitosti neboli PCI. Toto jediné číslo je podle Massiminiho a jeho kolegů hrubým měřítkem typu složitosti, která odhaluje, zda je člověk při vědomí. Vědci dokonce vypočítali hranici 0,31, která podle studie technologie z roku 2016 u zdravých a mozkově zraněných subjektů rozlišovala mezi stavy v bezvědomí a při vědomí se 100% senzitivitou a 100% specificitou. Jinými slovy, funguje to dobře – opravdu dobře.

Více znepokojivé je, že když výzkumníci vypočítali PCI ze skupiny pacientů s syndrom nereagující bdělosti (UWS, stav dříve známý jako vegetativní stav), zjistili, že přibližně jeden z pěti měl hodnotu PCI v rámci distribuce vědomí. I když [takový] pacient zcela nereaguje, žádné známky vědomí, řekl mi Massimini, můžete s jistotou říci, že tento pacient je přesto při vědomí.

Takový průlom představuje nejpřesnější měřič vědomí, jaký byl kdy v medicíně viděn (i když je stále hrubý, rudimentární a nerafinovaný). Medicínské důsledky jsou široké. Odhady naznačují, že na celém světě žije až 390 000 lidí poruchy vědomí . S některými z nich, kteří nereagují, se může zacházet, jako by tam nikdo nebyl – a přitom zažívají, že svět je vzhůru, osamocený a neschopný dosáhnout ze svého tělesného vězení, dokud žijí.

Massimini je přesvědčen, že PCI může pomoci identifikovat tyto lidi.

V červenci 2021, když jsem ho navštívil v Miláně, Massimini spolupracoval s dalšími výzkumníky v Miláně, Bostonu, Los Angeles a jinde. Mezitím se v Gnocchi již používají měření PCI, která pomáhají řídit diagnostiku a určit potenciál částečného zotavení.

Řešení

PCI se zrodilo z hledání překonat téměř století překážek stojících v cestě měření vědomí. Od roku 1924, kdy Hans Berger vynalezl elektroencefalografii (EEG) se vědci pokusili získat přístup k elektrickým reakcím, které náš mozek používá ke komunikaci, v naději, že uvidí, předpovídají a změří, co se děje za 6,5 ​​milimetry silnou ochranou našich lebek. Bergerův vynález detekoval změny v napěťových špičkách produkovaných našimi neurony – převáděl tyto signály na vlnovky podobné seismografu popularizované jako mozkové vlny.

Standardní EEG vzory zahrnují rychlé alfa vlny, oscilující asi 10krát za sekundu a běžné při vědomí, a pomalé delta vlny, oscilující asi jednou za sekundu a běžné ve spánku bez snění nebo v anestezii. Pasivní naslouchání mozku pomocí EEG je ale nedokonalý způsob, jak určit vědomí, protože výjimky číhají všude.

Anestetikum ketamin může nabudit mozek, což má za následek střídavé alfa a delta vlny. Některé typy pacientů v kómatu vykazují v bezvědomí rychlé oscilace. A lidé pod vlivem drogy atropin nebo během záchvatového vzorce zvaného status epilepticus hlásí, že jsou při vědomí a přitom vykazují pomalé mozkové vlny typické pro bezvědomí.

Ještě větším problémem je, že samotná mozková aktivita pacienta – důsledek krátkého rozpětí pozornosti, ospalosti, dobrovolného nebo nedobrovolného pohybu, vizuálních rozptýlení nebo dokonce nedostatku touhy dodržovat pokyny – může způsobit zkreslení pasivního EEG a reagovat způsoby, které dělat jeho zprávy nepořádek.

Případ PCI je ten, že tvrdí, že je objektivním měřítkem vědomí – relativně jednoduché ano nebo ne. Co jej odlišuje od běžného EEG, podle Massiminiho, je to, že zatímco starší technologie měří pouze probíhající mozkovou aktivitu, PCI měří kapacitu mozku udržovat složité vnitřní interakce. Můžete to udělat, říká, když dáte do mozku zaklepat a pak budete sledovat, jak tato porucha filtruje a odráží se a působí na ni, když prochází fantasticky složitou architekturou 86 miliard neuronů a jejich 100 bilionů spojení v lidském mozku .

To klepání nebo zap se dodává prostřednictvím transkraniální magnetické stimulace (TMS), která se v moderní podobě vyskytuje od 80. let 20. století: hůlka se přidržuje proti hlavě, aby vystřelila elektromagnetický impuls do mozku. Když je TMS použit k zacílení na motorickou kůru, může vyvolat nedobrovolné záškuby ruky; když se zaměří na zrakovou kůru, může v oku mysli vyvolat vizuály podobné blesku.

Pro generování PCI čtení používá Massimini TMS na mozkové kůře. Poté pomocí EEG změří, co se stane. Je to kvalita příspěvku zap signál, který vede ke skóre.

Marcello Massimini ve své milánské kanceláři.

RUSS JUSKALIAN

To, co Massimini hledá v tomto rozrušeném EEG, je zvláštní druh složitosti, která je organizovaná, ale ne příliš organizovaná. Vědomá mysl neprodukuje ani dokonale synchronizované vlnění kamene vraženého do imaginárního jezírka, ani dokonale zakódovaný zvuk mezikanálového sněhu analogové televize. Šablona vědomí je spíše jako spletitý chaos – jedinečný vzor mezi téměř nekonečným počtem možností, přičemž mozkové vlny se v některých oblastech zdají podobné a v jiných zcela odlišné.

Vysoké PCI na obrazovce v nemocnici vypadá jako série klikyhátek, které začínají stejně, ale zároveň se od sebe odlišují, když se pohybují napříč geografií mozku. Nízké PCI je ještě lépe vidět: buď všude dostanete stejně dlouhé, pomalé vlny, nebo vlnu v jedné části mozku a ticho všude jinde.

Po celá léta mohli Massimini a další doslova sledovat, jak se vědomí zaznamenává na obrazovce, ale byli zmateni tím, jak je kvantifikovat.

Měli vodítka, jak postupovat, protože hledání PCI bylo postaveno na základech integrovaná teorie informace (IIT), kontroverzní model vědomí, který navrhl Giulio Tononi, profesor psychiatrie na lékařské fakultě University of Wisconsin (viz strana 82). IIT tvrdí, že vědomý mozek má vysokou úroveň integrace (jeho různé části se navzájem ovlivňují) a zároveň vysokou úroveň diferenciace (části produkují různé signály).

Massimini se snažil najít proxy pro tuto složitost, kterou by bylo možné skutečně vypočítat v laboratoři, ale cíl byl v nedohlednu.

Šťastný zásah, jak si vzpomíná, přišel od znuděného brazilského fyzika jménem Adenauer Casali, jehož manželka pracovala v chodbě. Massimini nabídl Casalimu prostor ve své kanceláři, kde fyzik trávil čas čtením Danta a dalších italských velikánů. Jednoho dne si ti dva začali povídat a Massimini se o problému zmínil.

Je v mé laboratoři a sedí na židli, vzpomíná Massimini. Začneme mluvit: ‚Děláme to a to, a mimochodem máme tento problém – možná byste mohl něco přidat?‘ Casalimu bylo řešení jasné. Vše, co Massimini potřeboval, bylo vzít záznamy TMS-EEG a komprimovat data pomocí stejného algoritmu, který počítač používá ke kompresi souborů do formátu ZIP. Signál s nízkou složitostí by byl nakonec malý, protože by obsahoval tak málo jedinečných dat. Vysoce komplexní signál indikující vědomou mysl by byl velký. Casali byl uveden jako první autor v článku zavádějícím kvantifikaci PCI a samotný postup zůstává známý jako zap-ZIP .

Pochybovači

Je těžké věnovat se něčemu jako PCI, když se odborníci stále nemohou shodnout na tom, co vědomí je a co není. Tononi, který chvílemi zní jako mystik, mi vysvětlil podstatu vědomí na příkladu z každodenního života. Ležíte v posteli a spíte, spíte beze snů, a pak se probudíte a najednou je tu spíš něco než nic, řekl mi. To něco je vědomí – mít zkušenost.

Většinu historie, odhalování toho něco nebylo všechno tak těžké. Pokud jste se někoho zeptali na otázku a dostali jste rozumnou odpověď, byla tato osoba pravděpodobně při vědomí.

To je stále zlatý standard, říká Massimini.

[Massimini] empiricky ukázal, že když jsou mozkové sítě vypnuty anestezií, spánkem nebo poraněním mozku, máte složité vzorce, které se liší od těch, které vidíme, když je někdo vzhůru.

Emery Brown

Ale rostoucí používání mechanické ventilace v 50. a 60. letech 20. století pomohlo poprvé vytvořit významnou populaci lidí s dlouhodobými poruchami vědomí. Dnes existují lidé, které lze udržet naživu, i když nemáme žádné důkazy o tom, že by někdo byl tam . A jsou takoví, jako je šedovlasý muž v Gnocchi, kteří vykazují potenciální náznaky vědomí, jako oči, které sledují pohyb, ale nemají žádný způsob, jak komunikovat nebo dokazovat svou vnitřní existenci. Za ním je celé spektrum těžko odlišitelných stavů. Tononiho něco je stav, který v sobě všichni můžeme okamžitě identifikovat, ale u jiných lidí je těžké o něm vědět, pokud nám to neřeknou.

Související příběh

Záhada za anestezií Mapování toho, jak se naše nervové okruhy mění pod vlivem anestezie, by mohlo vrhnout světlo na jednu z nejvíce matoucích hádanek neurovědy: vědomí.

To činí jakékoli měřítko vědomí kontroverzním, natožpak takové, jehož teoretickým základem je IIT. Zatímco někteří vědci označili IIT za nejlepší dosud předloženou teorii vědomí, ne každý je fanouškem. Když jsem Michaelu Grazianovi, neurovědci z Princetonu, napsal o jeho názoru na IIT a PCI, jeho odpověď byla jednoznačná.

IIT je pseudověda, napsal.

Ale pokračoval, dokonce i frenologie – myšlenka, která je nyní pevně zavedena jako nesmysl, že tvar hlavy lidí vám může říci o jejich osobnosti – pomohla v 19. století posouvat vědu k myšlence, že různé části mozku mají různé funkce a že mozková kůra stála za nějakou pozornost. Přiznal, že tato změna perspektivy vedla k většině hlavních objevů ve vědě o mozku za celé století, takže PCI může stále něco stát.

Emery Brown, neurovědec a anesteziolog, který je ředitelem programu Harvard-MIT v oblasti zdravotní vědy a technologie, si vyhrazuje úsudek a čeká na další důkazy. Je opatrný, aby analýzu řídila teorie. Přesto Brown obdivuje Massimini za to, že dělá experimenty, pečlivě analyzuje data a publikuje výsledky, aby je mohl vidět kdokoli.

Co se mi na tom líbí, když o tom slyším mluvit Marcella, je to, že je totální empirik, řekl mi Brown. Empiricky ukázal, že když jsou mozkové sítě vypnuty anestezií, spánkem nebo poraněním mozku, máte složité vzorce, které se liší od těch, které vidíme, když je někdo vzhůru.

A tento empirismus je přesvědčivým případem, když se hodnoty PCI počítají u skutečných lidských bytostí.

Krásná konzistence

Síla Massiminiho přístupu je možná nejlépe reprezentována v krásně konzistentním schéma z let testování technologie.

V grafu jsou hodnoty PCI vypočítané od lidí, o kterých je známo, že byli nebo nebyli při vědomí, zaznamenány jako tečky oddělené přerušovanou čarou na hranici 0,31. V každém jednotlivém případě je maximální skóre PCI zaznamenané ve spánku bez snění nebo pod vlivem jednoho ze tří různých anestetik pod čarou. A u stejných lidí je každý jeden z maximálních skóre v bdělém stavu, prožívání snového spánku REM nebo pod vlivem ketaminu (který v dávkách anestetika navozuje snový stav) nad čarou.

Stejně tak téměř všechna maximální skóre pro pacienty se syndromem locked-in a prodělali mrtvici, kteří byli v době studie schopni prokázat své vědomí komunikací. Pozoruhodné je, že 36 z 38 pacientů ve stavu s minimálním vědomím vykazovalo vysokou složitost, což prokázalo bezprecedentní citlivost PCI jako objektivního markeru vědomí.

Živé záznamy TMS-EEG mozku kontrolního subjektu během experimentu.

RUSS JUSKALIAN

Ale devět ze 43 pacientů, kteří byli dříve považováni za zcela bez vědomí, také dosáhlo skóre nad čarou. To vyvolává obtížné otázky. Tito pacienti, kteří nemají žádný jiný způsob, jak prokázat své vědomí a žádný způsob komunikace, představují buď selhání PCI, nebo její děsivý příslib. Jejich zap-ZIP kvalita odpovědí byla podobná jako u lidí s minimálním vědomím, stejně jako u lidí při vědomí, když byli vzhůru, snili nebo jim byl podáván ketamin. A ve skutečnosti se půl roku po testování šest z těchto pacientů zlepšilo natolik, že byli klasifikováni jako minimálně při vědomí. Někdo tam, zdá se, přece jen byl.

V posledních letech měli vědci z Massiminiho skupiny příležitost stimulovat neurony a zaznamenávat mozkovou aktivitu z elektrod dočasně vložených do mozku pacientů, kteří podstoupili operaci epilepsie. Tato měření odhalila an zajímavý mechanismus, kterým může PCI zkolabovat po poranění mozku , což vede ke ztrátě vědomí. Neuronové okruhy, které jsou fyzicky ušetřeny lézí, mohou vstoupit do režimu podobného spánku, takže celý mozek není schopen vytvářet složité vzorce interakcí.

Takové narušení neuronální aktivity podobné spánku může být pouze dočasné u některých pacientů, kteří nakonec nabudou vědomí, ale může přetrvávat u jiných, kteří zůstávají blokováni ve stavu nízké složitosti, což odpovídá prodlouženému vegetativnímu stavu, říká Massimini. A to, jak si myslí, by mohlo poskytnout zdůvodnění pro vývoj nových léčebných postupů k probuzení mozkových okruhů a obnovení vědomí.

PCI by mohla být zdokonalena ve formě jiných způsobů, jak narušit mozek, jako je zaostřený ultrazvuk nebo cílené laserové světlo. Nebo by mohla být technologie vylepšena lepším prostorově-časovým rozlišením nebo dokonce automatizovaným skenováním a výpočetními výpočty, kde je v poškozeném mozku maximální složitost.

Massimini je jasné, že ve své současné podobě PCI nemůže říci mnoho o kvalitě nebo stupni vědomí – jen o tom, zda tam je nebo není. A vidí práh 0,31 jako klinické měřítko rozmazaného stavu – není to tak, že v 0,30 není vůbec nic a v 0,32 se vědomí objeví v plné formě. Můžete mít vysoké skóre PCI, říká, a nezáleží ani na tom, zda sníte nebo jste vzhůru. Část obrázku evidentně chybí.

Prolomit se

Ale Angela Comanducci, klinická neurofyzioložka, která během svého výcviku prošla Massiminiho laboratoří a nyní dohlíží na 13lůžkové křídlo v Gnocchi, které se věnuje poruchám vědomí, již klinickou sílu PCI z první ruky pozorovala. V červnu 2020 byla na oddělení přivedena 21letá žena dva měsíce poté, co utrpěla traumatické poranění mozku z bití. Každý klinický diagnostický test, experimentální a zavedený, nevykazoval žádné známky vědomí, řekl mi Comanducci. Situace byla tak vážná, že rodině pacientky bylo řečeno, aby očekávala, že zůstane v nevratném vegetativním stavu.

Související příběh

Zobrazování mozku umožňuje vegetativnímu pacientovi komunikovat Překvapivý nový výzkum pravděpodobně zpochybní naše představy o vědomí.

Ale když Comanducci a její zaměstnanci připojili ženu k objemnému přístroji TMS-EEG používanému k měření její PCI, byli tím, co viděli, překvapeni. Během několika sekund jsem na obrazovce viděl, že tam byla, řekl Comanducci. PCI, kterou vypočítali později toho dne, byla vysoká – odrážela vysoce komplexní odpověď EEG na stimulaci TMS – a kompatibilní se stavem minimálního vědomí.

Během následujících týdnů manuálně pohybovali prsty, pažemi a nohama pacientky a snažili se restartovat její mozek, jako byste mohli nastartovat staré letadlo roztočením jeho vrtule. Mluvili s ní, jako by naslouchala, snažila se vyvolat reakci – možná povzdech nebo sebemenší vertikální pohyb jejích očí. A podali lék zvaný amantadin v naději, že probudí části mozku, o kterých se domnívali, že by mohly být nepoškozené, ale ve stavu něco jako ochranný spánek.

Řekl jsem svému rehabilitačnímu personálu: ‚Teď musíte být detektivové,‘ vzpomněl si Comanducci. 'Hledej všude a najdi ji!'

Asi po měsíci ji našli.

Žena milimetrovým pohybem jediného prstu otevřela křehký komunikační portál s okolním světem. Cvičením se naučila pohybovat více prsty a vytvořila si systém, pomocí kterého by mohla odpovídat na jednoduché otázky.

Russ Juskalian je spisovatel a fotograf na volné noze, jehož práce se objevily v Objevit , Smithsonian a New York Times.