Zvyšování vědomí

V roce 2003 vyslovil 39letý Terry Wallis své první slovo (máma) po 19 letech, kdy mu autonehoda způsobila vážné poškození mozku. Většinu z předchozích dvou desetiletí strávil ve stavu, který neurologové nazývají stavem minimálního vědomí, někde v šedé zóně mezi kómatem a vědomím. V letech před jeho probuzením si však Wallisova rodina povšimla, že je čím dál čilejší a vnímavější, občas přikyvuje, chrochtá nebo dokonce brečí, až jednoho dne začal spontánně mluvit. Přestože má Wallis stále vážné poruchy paměti a pohybu, stále dosahuje pozoruhodných úspěchů.

Nikdo neví, co podnítilo Wallisin návrat do bdělého světa. Neurolog Nicholas Schiff je ale odhodlaný to zjistit. Schiff, výzkumník na Weill Cornell Medical College v New Yorku, je jedním z hrstky vědců studujících lidi jako Wallis, pacienty, kteří tráví měsíce nebo roky zdánlivě nevědomými o vnějším světě a neschopnými komunikovat. Schiff doufá, že pomocí nových technik zobrazování mozku lépe pochopí složitou povahu vědomí – a najde způsoby, jak pomoci léčit tisíce pacientů, kteří trpí vážnými poruchami vědomí.

Tento příběh byl součástí našeho vydání z ledna 2007

• Viz zbytek čísla
• předplatit

Osm měsíců po Wallisových prvních slovech začal Schiff a jeho spolupracovníci pořizovat snímky Wallisova mozku pomocí nové metody, která dokáže vytvořit podrobné mapy nervových vláken mozku. To, co našli, je překvapilo. Během příštího roku a půl se zdálo, že snímky vědců ukázaly, že Wallisův mozek se částečně sám uzdravil. Ale jak? A co spustilo proces hojení?

V posledních několika desetiletích vylepšené lékařské technologie udržely při životě více lidí po poranění mozku, ale mnoho z nich zůstalo ve zjevně trvalých stavech poruchy vědomí. Bezprostředně po těžkém poranění mozku se pacient často dostává do kómatu – období bezvědomí, které obvykle trvá dny, maximálně týdny. Ti, kteří přežijí, se nemusí nutně probudit; místo toho mohou vstoupit do vegetativního stavu nebo do stavu minimálního vědomí (MCS), který může trvat roky. I když je obtížné určit, kolik pacientů s minimálním vědomím je ve Spojených státech (MCS byla zavedena jako diagnostická kategorie teprve v roce 2002), některé odhady uvádějí počet 25 000 nebo více - asi 10krát více než počet vegetativních pacientů. (Tyto dva stavy může být obtížné rozlišit i pro neurology. Vegetativní pacienti jsou definováni jako pacienti, kteří si zcela neuvědomují své prostředí, zatímco pacienti, kteří jsou ve stavu minimálního vědomí, se mohou občas smát nebo plakat, sáhnout po předmětech nebo dokonce reagovat na jednoduché otázky. .)

Na rozdíl od Wallisové se většina pacientů, kteří tráví roky ve stavu minimálně při vědomí, nikdy neprobudí. Vyhlídky na uzdravení se s přibývajícím časem zmenšují, takže mnoho lékařů přijímá určitý druh terapeutického nihilismu vůči těm, kteří jsou trvale v bezvědomí, za předpokladu, že jejich případy jsou beznadějné, říká Steven Laureys, neurolog z univerzity v Lutychu v Belgii. Pacienti s MCS mají málo možností léčby a většina z nich nedostává přísné dlouhodobé sledování nebo intenzivní rehabilitaci. Wallis například neměl žádného neurologa a během jeho 19leté pauzy od vědomí nebylo shromážděno mnoho anamnézy.

Nedávné studie ze Schiffovy laboratoře a dalších však ukázaly, že alespoň někteří z těchto zdánlivě nevědomých pacientů mají překvapivě vysokou úroveň mozkové aktivity, mentálně reagují na příběhy a příkazy stejně jako zdravý člověk. Schiff a další, kteří studují pacienty s minimálním vědomím, jsou opatrní, aby je odlišili od pacientů, jako je Terri Schiavo, které se v roce 2005 dostalo pozornosti celostátních médií. Schiavo byla ve vegetativním stavu, do kterého se dostala poté, co nedostatek kyslíku vedl k rozsáhlé smrti mozkových buněk. Když je poranění mozku způsobeno traumatem, na druhé straně je poškození často omezeno na nervová vlákna, která spojují různé části mozku, a některé nervové okruhy mohou zůstat nedotčené. U těchto pacientů nové zobrazovací studie odhalují překvapivý potenciál pro určité obnovení normální mozkové aktivity.

Zjištění nabízí naději pro skupinu lidí, které lékařská komunita z velké části vzdala za ztracené. Schiff a další pracují na tom, aby dali dohromady strukturální nebo funkční změny, které umožňují některým pacientům s MCS se probudit; nakonec vědci doufají, že navrhnou léčbu, která může tyto změny podnítit u ostatních. Zároveň otevírají okno do skrytého světa. Vědomí je subjektivní zkušenost z první osoby, říká Laureys. Je velmi ošemetné usuzovat na absenci vědomí na základě absence odezvy u lůžka. Může existovat nějaký vnitřní svět, který nemáme jak posoudit.

Mentální tenis

V roce 1998 Joy Hirsch, neurovědkyně z Columbia University Medical Center v New Yorku, připravila cestu pro studie, které využívají funkční MRI (fMRI) k posouzení poruchy vědomí. Pomocí měření průtoku krve v mozku může fMRI určit oblasti, které jsou aktivní, když například člověk pociťuje hněv nebo pracuje na abstraktním problému. Hirsch chtěl způsob, jak lokalizovat – a tím chránit – oblast jazyka u dětí, které potřebovaly operaci mozku. Zatímco většina předchozích studií fMRI vyžadovala, aby dobrovolníci prováděli specifické úkoly, jako je čtení nebo mluvení, aby aktivovali příslušné části mozku, Hirsch zjistil, že pouhé čtení příběhu dětem může stimulovat oblast zapojenou do řeči. Stalo se zřejmé, říká, že stejnou techniku ​​lze použít k testování kognitivních funkcí u pacientů s minimálním vědomím.

S pomocí dalších vylepšení zobrazovací technologie použili v roce 2005 Hirsch a Schiff fMRI ke zkoumání toho, jak dva pacienti s minimálním vědomím reagovali na příběhy, které jim vyprávěli přátelé a členové rodiny. Výsledky byly podobné jako u zdravých dobrovolníků. Příběhy spustily aktivitu v jazykových centrech a dalších oblastech mozku, což naznačuje, že určité shluky neuronů zůstaly nedotčené a fungují. Když pacient poslouchal, jak jeho sestra vypráví například příběhy o jejich dětství, části jeho zrakového systému se rozzářily, což naznačovalo, že by si tyto scény mohl představovat.

Zjištění vyvolalo intenzivní zájem neurologů, ale bez přímých zpráv od samotných subjektů bylo obtížné přesně posoudit, co pacienti zažívali. Byli uvězněni v osamělém duševním vězení, uvědomovali si okolní svět, ale nebyli schopni na něj reagovat? Zažili jen izolované okamžiky uvědomění? Nebo byla mozková aktivita prostě jakýmsi kognitivním reflexem, který spustil známý hlas a několik evokujících slov nebo jmen?

V roce 2005 Adrian Owen, neurolog z Medical Research Council v Cambridge v Anglii, zahájil sérii experimentů, které měly tyto otázky řešit. Owen a jeho spolupracovníci vytvořili test zobrazování mozku, o kterém doufali, že ukáže, zda si někdo skutečně uvědomuje jeho nebo její prostředí. Pacientka s MCS byla instruována, aby si představila, jak hraje tenis, když slyší slovo tenis, nebo aby si představila, jak prochází jejím domem, když slyší slovo dům; poté byla umístěna do skeneru a dostaly sluchové pokyny. Test byl navržen tak, aby vyhodnotil jak krátkodobou paměť, protože instrukce byly dány dlouho před výzvami, tak kapacitu pro trvalou pozornost, protože pacientovi bylo řečeno, aby si nadále představoval scénu, dokud nebude požádán, aby přestal. Nejdůležitější je, že byl navržen tak, aby vyžadoval úmyslnou akci.

Pokud jste zdraví, představa, že hrajete tenis nebo se pohybujete ve svém domě, aktivuje specifické části vašeho mozku – přídavné motorické oblasti, které řídí motorické reakce, a parahippokampální gyrus, který hraje roli v paměti scén. Vědci tedy přesně věděli, co mají u pacientů s poruchou vědomí hledat. Jejich předmětem byla 23letá žena, která byla ponechána ve vegetativním stavu po autonehodě v roce 2005. V době studie uplynulo pět měsíců od její nehody, což znamená, že statisticky měla 20 procent šance na nějaké uzdravení. Nevykazovala žádné vnější známky vědomí.

Výsledky testu byly šokující, dokonce velkolepé, podle komentáře doprovázejícího jejich zveřejnění v časopise Věda poslední pád. Když jsme ji oslovili slovem „tenis“, její mozek se aktivoval způsobem, který je nerozeznatelný od zdravého člověka, říká Owen. Totéž platilo pro slovo dům. Myslíme si, že fMRI jednoznačně prokázala, že si je vědoma, říká.

Zatímco pacientka splňovala všechny klinické požadavky na vegetativní stav, její fMRI jasně prokázala mozek schopný poměrně složitého zpracování podnětů. Stále však není jisté, jaké závěry lze z jejího případu vyvodit. Studovali jsme více než 60 pacientů v Belgii a nikdy jsme neviděli aktivaci kompatibilní s vědomým vnímáním, říká Laureys. Rozhodně si myslím, že je to výjimka, ale nedokážu říct, jestli je to případ jeden z tisíce nebo jeden z milionu. Owen nyní plánuje provést stejné testy na více pacientech s použitím variace fMRI, která ukazuje reakce mozku v reálném čase.

Možná nejvíce matoucí otázka, kterou výsledky vyvolaly, se týká stavu mysli pacientky: je skutečně při vědomí? To je věc určité debaty: Owen věří, že pacientka si byla vědoma sebe a svého okolí, ale jiní neurologové si nejsou tak jisti. Nikdo neví, co si během skenování skutečně myslela, říká Laureys.

Odpověď může přijít s Owenovým dalším kolem experimentů, které jsou navrženy tak, aby provedly to, co někteří považují za nejlepší test vědomí – zeptat se člověka na jeho stav mysli. Pomocí fMRI v reálném čase mohou vědci klást pacientům otázky a měřit jejich odpovědi na základě jejich mozkové aktivity. Například, protože vědci znají vzorce aktivity spojené s vymyšlenými hrami tenisu a procházkami po domech, mohli by svým pacientům říct, aby mysleli na tenis jako ano a na prohlídky domů za ne, a pak pokládali binární otázky při provádění skenování mozku.

Stejně jako nálezy Schiffa a Hirsche jsou i Owenovy fascinující a znepokojivé, především proto, že neurologové zatím nevědí, co s nimi dělat. Znamená mozková aktivita ženy, kterou Owen studoval, že se brzy probudí? Co ostatní pacienti s podobnými zraněními? Schiff například plánuje zjistit, zda někteří z jeho pacientů, kteří vykazují viditelné známky vědomí, mohou replikovat Owenovy výsledky. Hádám, že někteří z nich to zvládnou, říká.

Léze vědomí

Pravděpodobně se nikdy nedozvíme, zda Terry Wallis také měl nějaké povědomí před svým probuzením. Ale typ zobrazování mozku známý jako zobrazování tenzorů difúze (DTI) poskytl výzkumníkům rady o tom, jak se jeho mozek od té doby změnil.

DTI je variací MRI, která nabízí bezprecedentní pohled na systém elektroinstalace mozku – dlouhé tenké ocasy neuronů, které přenášejí elektrické signály mezi různými oblastmi. Wallisův první DTI sken, zaznamenaný osm měsíců po jeho prvním slovu, odhalil, že měl vážné poškození mozku. Vědci ale také objevili možné známky toho, že mezi mozkovými strukturami vyrašila nová nervová spojení. Zejména se zdálo, že velká oblast v zadní části jeho mozku má více nervových vláken než normálně, všechna orientovaná stejným směrem. Oblast pokrytá těmito novými vlákny zahrnovala část mozku známou jako precuneus, která je vysoce aktivní během vědomého bdění, ale méně aktivní během spánku nebo anestezie.

Osmnáct měsíců po tom skenování si Wallis vedla ještě lépe. Mohl hýbat dříve ochrnutými nohami, což je stejně neočekávané zlepšení, jako když se mu vrátila řeč, říká Schiff. Když vědci podruhé zobrazili jeho mozek, zjistili, že neobvyklá oblast na zádech se normalizovala, zatímco se zdálo, že oblast zapojená do regulace pohybu se více propojila. Zjištění byla zveřejněna v loňském roce v Journal of Clinical Investigation .

Vědci si zatím nemohou být jisti, že změny, které viděli na snímcích mozku, skutečně naznačují růst nových neuronových spojení, ani že tyto změny podnítily Wallisovo zotavení. Proč se objevil? Nikdo z nás na to nedokáže odpovědět, říká Hirsch. Ale naznačuje to biologický základ pro zotavení.

Zobrazování mozku může být nakonec použito jako diagnostický nástroj, který pomůže odhalit ty, kteří se s největší pravděpodobností uzdraví. Musíme vyvinout lepší způsoby, jak modelovat a měřit vznik vědomí a shromáždit dostatek dat, abychom mohli provádět statistické předpovědi pro zotavení, říká Schiff. Avšak identifikace významných změn, které předpovídají probuzení, slibuje, že bude obtížné. Schiff a Hirsch naskenovali kromě Wallise více než tucet dalších pacientů, včetně několika, kteří se probudili, a ještě musí najít konkrétní vzorce nebo změny v mozkové aktivitě, které by mohly signalizovat, že se pacient zlepšuje. Ale stále se dívají – například na to, zda jsou aktivní síťová centra mozku nebo zda je aktivita v různých oblastech mozku synchronizovaná. O pacientech s traumatickým poraněním mozku uvažujeme jako o pacientech s lézemi vědomí, říká Hirsch. Předpokládá, že vědomí povstává spíše ze sítě spojení než ze specifického místa v mozku.

Mozek neustále zpracovává informace: obrazy a zvuky jsou zaznamenávány a syntetizovány v různých částech mozku, poté se spojují v jiných oblastech a vytvářejí soudržný obraz vnějšího světa. A časné důkazy naznačují spojení mezi vědomím a schopností integrovat informace. Ve studii 60 pacientů ve vegetativním stavu Laureys zjistil, že sedm pacientů, kteří se později probudili, obnovilo mozkový metabolismus v oblastech, které spojují kůru s thalamem, přenosovým centrem v mozku.

Poranění mozku může roztrhnout nervová vlákna, která přenášejí zprávy mezi různými oblastmi, což brání integračnímu procesu. Podobně Schiff věří, že obvody ponechané nedotčené u pacientů s minimálním vědomím a vegetativních pacientů mohou komunikovat nevyzpytatelně, což mozku znesnadňuje koordinaci složitých úkolů zahrnujících více oblastí mozku. Pacienti s poruchou vědomí také vykazují nízkou úroveň nervové aktivity, říká Schiff; jejich mozky se mohou pobodat na konkrétní úkol, vygenerovat krátký vzhled reakce, ale pak zmizí. Občasné okamžiky jasnosti pacienta tedy mohou pocházet z krátkých nárazů synchronizované aktivity. Někteří pacienti mohou mít kapacitu pro funkční zotavení, ale to závisí na náboru neuronových odpovědí na úrovni okruhu k udržení stavu, jako je stav mozku pracujícího normálně, říká Schiff. Emocionální události, jako je popis vzpomínek z dětství sestry, mohou lépe aktivovat tyto okruhy, což by mohlo vysvětlit, proč se zdá, že emocionální příběhy spouštějí nejsilnější reakce.

Pochopení toho, co způsobuje poruchy vědomí, by nakonec mohlo objasnit větší hádanku: co umožňuje zdravému člověku uvědomovat si sebe a okolí? Myslím si, že podrobné pochopení nezbytných a dostatečných podmínek pro obnovu vědomí poskytne nesmírně důležité vhledy do základní povahy lidského vědomého stavu, říká Schiff.

Opuštěný

Schiffovým konečným cílem je samozřejmě vyvolat probuzení jako u Terryho Wallise u jiných pacientů s minimálním vědomím. Na setkání neurověd loni v říjnu předložil předběžné důkazy, že elektrická stimulace thalamu, který vysílá senzorické informace do mozkové kůry, by mohla pacientům pomoci obnovit vědomí. Schiff a jeho tým použili hlubokou mozkovou stimulaci – terapii používanou k léčbě Parkinsonovy choroby, kdy se do mozku implantuje elektroda – ke stimulaci thalamických neuronů u 38letého pacienta s minimálním vědomím, který utrpěl šest let těžké traumatické poranění mozku. před. Zjistili, že když byly neurony stimulovány, pacient byl citlivější a koordinovanější, dokonce byl schopen jíst jídlo s určitou nezávislostí.

Ačkoli se Schiff zdráhá mluvit o zjištěních své skupiny předtím, než budou zveřejněny v recenzovaném článku, on a další neurologové jsou z nich zjevně nadšení. Toto je velmi zajímavé a důležité pozorování, říká James Bernat, neurolog z Dartmouth Medical School, který dodává, že Schiffův výsledek je zvláště pozoruhodný, protože pacient byl tak dlouho v minimálním vědomí. Předchozí studie hluboké mozkové stimulace, prováděné většinou v Japonsku, zahrnovaly nedávno zraněné pacienty, kteří se stejně mohli zlepšit.

Aby bylo možné prokázat účinnost hluboké mozkové stimulace při léčbě poruch vědomí a určit, kterým pacientům by mohla pomoci, budou muset další výzkumníci zopakovat Schiffův úspěch. Ale to je vysoká zakázka. Výzkum na pacientech s minimálním vědomím a vegetativním onemocněním představuje obrovské překážky – logistiku přepravy pacientů ze zařízení dlouhodobé péče do zobrazovacích laboratoří, etické a právní problémy spojené s testováním lidí, kteří nemohou dát informovaný souhlas, a technickou náročnost skenování pacientů, kteří může se pohybovat nepředvídatelně a nemusí být schopen porozumět pokynům, aby zůstal v klidu.

Ale největší překážkou větších studií je financování. Terry Wallis je jedním z nejpozoruhodnějších případů zotavení, jaké kdy Schiff viděl. A přesto ho zkoumal jen dvakrát: poprvé, když britská televizní stanice převezla Wallise a jeho rodinu z Arkansasu do New Yorku, kde mu Schiff a jeho spolupracovníci mohli skenovat mozek; a poté, když producenti dokumentu HBO zaplatili Wallisovi jízdné do New Yorku o 18 měsíců později, aby vědci mohli posoudit změny, ke kterým došlo od prvního skenování.

Dalo by se očekávat, že některý ze vzrušujících výzkumů s pacienty s minimálním vědomím v posledních dvou letech přinese do oboru více peněz, ale to se ještě nestalo. Začátkem listopadu Schiff obdržel neuspokojivé zprávy: National Institutes of Health, primární agentura pro financování biomedicíny ve Spojených státech, odmítla financovat větší studie diagnostických metod, které on a další vyvíjeli. Říká, že zatímco někteří posuzovatelé grantů jsou nedávnými zjištěními nadšeni, jiní se zdráhají utrácet peníze za skupinu pacientů, které považují za beznadějné. Myslím, že to ukazuje diskriminační zaujatost vůči této skupině pacientů, říká Schiff.

Neurologové studující poruchy vědomí tvrdí, že fatalismus ohledně vyhlídek jejich pacientů sahá daleko za zdi financujících organizací. Wallisova rodina například žádala o neurologa každoročně po dobu 19 let bez úspěchu. A Schiff říká, že rodiny pacientů zapsaných do jeho studií mu často děkují, že se o něj vůbec zajímá. Jejich uniformní zkušenost je taková, že to nikoho nezajímá, říká. Jsou zcela opuštěni lidmi, kteří by se o ně jinak postarali.

Pokud mají Schiff a další pravdu, tato populace opuštěných pacientů zahrnuje mnoho lidí, kteří si uvědomují své okolí. A Wallisovo zotavení slouží jako příklad toho, jak moc by se někteří z těchto pacientů mohli zlepšit, pokud je lze jemně postrčit zpět do světa plného vědomí. Zatímco Wallis pilně pracuje na svých rehabilitačních cvičeních, Schiff pokračuje ve svém houževnatém hledání vodítek, jak u ostatních zažehnout takové uzdravení, a stále více se přibližuje k pochopení záhad vědomí.

Emily Singer je editorkou biotechnologií a biologických věd Recenze technologie .

skrýt