Bewustzijn verhogen

In 2003 sprak de 39-jarige Terry Wallis zijn eerste woord (moeder) in de 19 jaar sinds een auto-ongeluk hem ernstig hersenletsel had opgelopen. Hij had een groot deel van de afgelopen twee decennia doorgebracht in wat neurologen een minimaal bewuste toestand noemen, ergens in het grijze gebied tussen coma en bewustzijn. In de jaren vóór zijn ontwaken had de familie van Wallis echter gemerkt dat hij alerter en responsiever werd, af en toe knikte, gromde of zelfs huilde, totdat hij op een dag spontaan begon te praten. Hoewel Wallis nog steeds ernstige beperkingen heeft op het gebied van geheugen en beweging, blijft hij opmerkelijke vooruitgang boeken.

Niemand weet wat de aanleiding was voor Wallis' terugkeer naar de wakende wereld. Maar neuroloog Nicholas Schiff is vastbesloten om erachter te komen. Schiff, een onderzoeker aan het Weill Cornell Medical College in New York City, is een van de weinige wetenschappers die mensen als Wallis bestudeert, patiënten die maanden of jaren schijnbaar onbewust zijn van de buitenwereld en niet kunnen communiceren. Met behulp van nieuwe beeldvormingstechnieken voor de hersenen hoopt Schiff de complexe aard van bewustzijn beter te begrijpen en manieren te vinden om de duizenden patiënten met ernstige bewustzijnsstoornissen te helpen behandelen.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van januari 2007

• Zie de rest van het probleem
• Abonneren

Acht maanden na de eerste woorden van Wallis begonnen Schiff en zijn medewerkers snapshots te maken van de hersenen van Wallis met behulp van een nieuwe methode die gedetailleerde kaarten van de zenuwvezels van de hersenen kan maken. Wat ze vonden verraste hen. In de daaropvolgende anderhalf jaar leken de beelden van de onderzoekers te laten zien dat de hersenen van Wallis zichzelf gedeeltelijk hadden genezen. Maar hoe? En wat heeft het genezingsproces in gang gezet?

In de afgelopen decennia hebben verbeterde medische technologieën meer mensen in leven gehouden na hersenletsel, maar velen van hen zijn achtergelaten in schijnbaar permanente toestanden van verminderd bewustzijn. Onmiddellijk na een ernstig hersenletsel raakt een patiënt vaak in coma - een periode van bewusteloosheid die doorgaans dagen of hooguit weken duurt. Degenen die overleven, worden niet noodzakelijkerwijs wakker; in plaats daarvan kunnen ze een vegetatieve toestand of een minimaal bewuste toestand (MCS) betreden, die jaren kan duren. Hoewel het moeilijk is om te bepalen hoeveel patiënten met minimaal bewustzijn er in de Verenigde Staten zijn (MCS werd pas in 2002 als diagnostische categorie geïntroduceerd), schatten sommige schattingen het aantal op 25.000 of meer - ongeveer 10 keer het aantal vegetatieve patiënten. (De twee aandoeningen kunnen zelfs voor neurologen moeilijk te onderscheiden zijn. Vegetatieve patiënten worden gedefinieerd als patiënten die zich totaal niet bewust zijn van hun omgeving, terwijl patiënten die zich in een minimaal bewuste staat bevinden, af en toe kunnen lachen of huilen, naar voorwerpen grijpen of zelfs eenvoudige vragen beantwoorden. .)

In tegenstelling tot Wallis worden de meeste patiënten die jaren in een minimaal bewuste toestand hebben doorgebracht, nooit wakker. De vooruitzichten op herstel nemen af ​​naarmate de tijd verstrijkt, dus veel artsen nemen een soort therapeutisch nihilisme aan jegens degenen die voortdurend bewusteloos zijn, ervan uitgaande dat hun gevallen hopeloos zijn, zegt Steven Laureys, een neuroloog aan de Universiteit van Luik in België. MCS-patiënten hebben weinig behandelingsopties en de meesten krijgen geen rigoureuze langdurige follow-up of intensieve revalidatie. Wallis had bijvoorbeeld geen neuroloog en er werd niet veel medische geschiedenis verzameld tijdens zijn 19-jarige onderbreking van het bewustzijn.

Recente onderzoeken van Schiff's laboratorium en anderen hebben echter aangetoond dat ten minste enkele van deze schijnbaar onbewuste patiënten een verrassend hoog niveau van hersenactiviteit hebben, mentaal reagerend op verhalen en bevelen zoals een gezond persoon zou doen. Schiff en anderen die minimaal bij bewustzijn zijnde patiënten bestuderen, zijn zorgvuldig om ze te onderscheiden van patiënten zoals Terri Schiavo, die in 2005 landelijke media-aandacht kreeg. Schiavo verkeerde in een vegetatieve toestand, die ze betrad nadat zuurstofgebrek leidde tot wijdverbreide hersenceldood. Wanneer een hersenletsel wordt veroorzaakt door een trauma, is de schade daarentegen vaak beperkt tot de zenuwvezels die verschillende delen van de hersenen met elkaar verbinden, en kunnen sommige neurale circuits intact blijven. Bij deze patiënten onthullen de nieuwe beeldvormende onderzoeken een verrassend potentieel voor enig herstel van normale hersenactiviteit.

De bevindingen bieden hoop voor een groep mensen die grotendeels als verloren zijn opgegeven door de medische gemeenschap. Schiff en anderen werken aan het samenvoegen van de structurele of functionele veranderingen die sommige MCS-patiënten in staat stellen te ontwaken; uiteindelijk hopen de onderzoekers behandelingen te ontwerpen die die veranderingen bij anderen kunnen stimuleren. Tegelijkertijd openen ze een venster op een verborgen wereld. Bewustzijn is een subjectieve, first-person ervaring, zegt Laureys. Het is erg lastig om de afwezigheid van bewustzijn te concluderen op basis van de afwezigheid van respons aan het bed. Er is misschien een innerlijke wereld die we niet kunnen beoordelen.

Mentaal Tennis

In 1998 maakte Joy Hirsch, een neurowetenschapper aan het Columbia University Medical Center in New York City, de weg vrij voor studies die functionele MRI (fMRI) gebruiken om verminderd bewustzijn te beoordelen. Door de bloedstroom in de hersenen te meten, kan fMRI regio's lokaliseren die actief zijn wanneer iemand bijvoorbeeld boos is of aan een abstract probleem werkt. Hirsch wilde een manier vinden om het taalgebied te lokaliseren en zo te beschermen bij baby's die een hersenoperatie nodig hadden. Terwijl de meeste eerdere fMRI-onderzoeken vrijwilligers nodig hadden om specifieke taken uit te voeren, zoals lezen of spreken, om de relevante delen van de hersenen te activeren, ontdekte Hirsch dat alleen het voorlezen van een verhaal aan de baby's de regio die betrokken is bij spraak kan stimuleren. Het werd duidelijk, zegt ze, dat dezelfde techniek kan worden gebruikt om de cognitieve functie te testen bij patiënten die minimaal bij bewustzijn zijn.

Geholpen door verdere verbeteringen in de beeldvormingstechnologie, gebruikten Hirsch en Schiff in 2005 fMRI om te onderzoeken hoe twee minimaal bewusteloze patiënten reageerden op verhalen verteld door vrienden en familieleden. De resultaten waren vergelijkbaar met die bij gezonde vrijwilligers. De verhalen veroorzaakten activiteit in de taalcentra en andere delen van de hersenen, wat suggereert dat bepaalde clusters van neuronen intact bleven en functioneerden. Wanneer een patiënt bijvoorbeeld luisterde naar zijn zus die verhalen vertelde over hun kindertijd, lichtten delen van zijn visuele systeem op, wat suggereert dat hij zich die scènes zou kunnen verbeelden.

De bevindingen wekten grote interesse bij neurologen, maar zonder directe rapporten van de proefpersonen zelf was het moeilijk om precies te beoordelen wat de patiënten ervoeren. Waren ze gevangen in een eenzame mentale gevangenis, zich bewust van de buitenwereld, maar niet in staat om erop te reageren? Ervaren ze alleen geïsoleerde momenten van bewustzijn? Of was de hersenactiviteit gewoon een soort cognitieve reflex, getriggerd door een bekende stem en een paar suggestieve woorden of namen?

In 2005 begon Adrian Owen, een neurowetenschapper bij de Medical Research Council in Cambridge, Engeland, een reeks experimenten om deze vragen te beantwoorden. Owen en zijn collega's hebben een hersenscantest gemaakt waarvan ze hoopten dat die zou aangeven of iemand zich daadwerkelijk bewust was van zijn of haar omgeving. Een MCS-patiënte kreeg de opdracht zich voor te stellen dat ze tennis speelde toen ze het woord tennis hoorde, of zich voor te stellen dat ze door haar huis liep toen ze het woord huis hoorde; ze werd vervolgens in de scanner geplaatst en kreeg auditieve prompts. De test was bedoeld om zowel het kortetermijngeheugen te evalueren, omdat de instructies ruim voor de prompts werden gegeven, en het vermogen tot volgehouden aandacht, omdat de patiënt werd verteld dat hij zich een scène moest blijven voorstellen totdat hem werd gevraagd om te stoppen. Het belangrijkste was dat het werd ontworpen om opzettelijke actie te vereisen.

Als je gezond bent en je inbeeldt dat je tennis speelt of door je huis navigeert, worden specifieke delen van je hersenen geactiveerd, respectievelijk de aanvullende motorische gebieden, die motorische reacties aansturen, en de parahippocampale gyrus, die een rol speelt bij het geheugen van scènes. De wetenschappers wisten dus precies waar ze op moesten letten bij patiënten met een verminderd bewustzijn. Hun proefpersoon was een 23-jarige vrouw die in een vegetatieve toestand was achtergelaten na een auto-ongeluk in 2005. Op het moment van het onderzoek waren er vijf maanden verstreken sinds haar ongeval, wat betekent dat ze statistisch gezien 20 procent had kans op enig herstel. Ze vertoonde geen uiterlijke tekenen van bewustzijn.

De resultaten van de test waren schokkend, zelfs spectaculair, volgens een commentaar bij hun publicatie in het tijdschrift Wetenschap laatste val. Toen we haar aanspoorden met het woord 'tennis', activeerden haar hersenen op een manier die niet te onderscheiden is van een gezond persoon, zegt Owen. Hetzelfde gold voor het woord huis. We denken dat de fMRI ondubbelzinnig heeft aangetoond dat ze op de hoogte is, zegt hij.

Terwijl de patiënte voldeed aan alle klinische vereisten om in een vegetatieve toestand te verkeren, toonde haar fMRI duidelijk hersenen die in staat waren tot relatief complexe stimulusverwerking. Toch is het nog niet zeker welke conclusies uit haar zaak kunnen worden getrokken. We hebben meer dan 60 patiënten in België bestudeerd en hebben nog nooit activering gezien die compatibel is met bewuste waarneming, zegt Laureys. Ik denk zeker dat dit de uitzondering is, maar ik kan niet zeggen of het een geval van één op duizend of één op een miljoen is. Owen is nu van plan om dezelfde tests uit te voeren op meer patiënten, met behulp van een variant van fMRI die hersenreacties in realtime laat zien.

Misschien wel de meest verbijsterende vraag die door de resultaten wordt opgeroepen, betreft de gemoedstoestand van de patiënt: is ze echt bij bewustzijn? Daarover bestaat discussie: Owen denkt dat de patiënte zich bewust was van zichzelf en haar omgeving, maar andere neurologen zijn daar niet zo zeker van. Niemand weet wat ze echt dacht tijdens het scannen, zegt Laureys.

Het antwoord kan komen met Owens volgende ronde van experimenten, die zijn ontworpen om uit te voeren wat sommigen beschouwen als de beste test van het bewustzijn: iemand vragen naar zijn of haar gemoedstoestand. Met behulp van realtime fMRI kunnen wetenschappers patiënten vragen stellen en hun antwoorden peilen op basis van hun hersenactiviteit. Omdat wetenschappers bijvoorbeeld de activiteitspatronen kennen die verband houden met ingebeelde tennisspellen en wandelen door huizen, kunnen ze hun patiënten vertellen dat ze moeten denken aan tennis voor ja en huisbezoeken voor nee, en vervolgens binaire vragen stellen tijdens het uitvoeren van hersenscans.

Net als de bevindingen van Schiff en Hirsch zijn die van Owen zowel fascinerend als verontrustend, vooral omdat neurologen nog niet weten wat ze ermee moeten doen. Betekent de hersenactiviteit van de vrouw die Owen bestudeerde dat ze binnenkort wakker wordt? Hoe zit het met andere patiënten met soortgelijke verwondingen? Schiff is bijvoorbeeld van plan om te zien of sommige van zijn patiënten die zichtbare tekenen van bewustzijn vertonen, de resultaten van Owen kunnen repliceren. Ik denk dat sommigen van hen het zullen kunnen, zegt hij.

Bewustzijnslaesies

We zullen waarschijnlijk nooit weten of Terry Wallis ook enig bewustzijn had voordat hij wakker werd. Maar een type hersenbeeldvorming dat bekend staat als diffusie tensor imaging (DTI), heeft onderzoekers hints gegeven over hoe zijn hersenen sindsdien zijn veranderd.

DTI is een variant van MRI die een ongekend beeld geeft van het bedradingssysteem van de hersenen: de lange, dunne staarten van neuronen die elektrische signalen tussen verschillende regio's transporteren. Wallis' eerste DTI-scan, opgenomen acht maanden na zijn eerste woord, onthulde dat hij ernstige hersenbeschadiging had. Maar wetenschappers ontdekten ook mogelijke tekenen dat er nieuwe neurale verbindingen waren ontstaan ​​tussen hersenstructuren. In het bijzonder leek een groot gebied in de achterkant van zijn hersenen meer neurale vezels te hebben dan normaal, allemaal in dezelfde richting georiënteerd. Het gebied dat door deze nieuwe vezels wordt omvat, omvatte een deel van de hersenen dat bekend staat als de precuneus, dat zeer actief is tijdens bewuste waakzaamheid, maar minder actief tijdens slaap of anesthesie.

Anderhalf jaar na die scan ging het nog beter met Wallis. Hij kon zijn eerder verlamde benen bewegen, een verbetering die even onverwacht was als het herstellen van spraak, zegt Schiff. Toen de onderzoekers zijn hersenen voor de tweede keer in beeld brachten, ontdekten ze dat het ongewone gebied achterin was genormaliseerd, terwijl een gebied dat betrokken is bij het reguleren van beweging meer verbonden leek te zijn geworden. De bevindingen werden vorig jaar gepubliceerd in de Tijdschrift voor klinisch onderzoek .

De onderzoekers kunnen er nog niet zeker van zijn dat de veranderingen die ze in de hersenbeelden zagen, echt wijzen op de groei van nieuwe neuronale verbindingen, noch dat die veranderingen de aanleiding waren voor Wallis' herstel. Waarom kwam hij tevoorschijn? Niemand van ons kan dit beantwoorden, zegt Hirsch. Maar het suggereert een biologische onderbouwing van herstel.

Beeldvorming van de hersenen kan uiteindelijk worden gebruikt als een diagnostisch hulpmiddel om degenen te helpen opsporen die het meest waarschijnlijk zullen herstellen. We moeten betere manieren ontwikkelen om het ontstaan ​​van bewustzijn te modelleren en te meten en voldoende gegevens te verzamelen zodat we statistische voorspellingen kunnen doen voor herstel, zegt Schiff. Het identificeren van de veelbetekenende veranderingen die het ontwaken voorspellen, belooft echter moeilijk te zijn. Schiff en Hirsch hebben naast Wallis meer dan een dozijn andere patiënten gescand, waaronder een aantal die zijn ontwaakt, en ze moeten nog specifieke patronen of veranderingen in hersenactiviteit vinden die erop kunnen wijzen dat een patiënt verbetert. Maar ze kijken nog steeds of de netwerkknooppunten van de hersenen bijvoorbeeld actief zijn of dat de activiteit in verschillende hersengebieden synchroon loopt. We beschouwen patiënten met traumatisch hersenletsel als patiënten met bewustzijnsletsels, zegt Hirsch. Ze veronderstelt dat bewustzijn voortkomt uit een netwerk van verbindingen in plaats van op een specifieke locatie in de hersenen.

De hersenen verwerken voortdurend informatie: beelden en geluiden worden opgenomen en gesynthetiseerd in verschillende delen van de hersenen, en vervolgens in andere gebieden samengesmolten, waardoor een samenhangend beeld van de buitenwereld ontstaat. En vroeg bewijs wijst op een verband tussen bewustzijn en het vermogen om informatie te integreren. In een onderzoek onder 60 patiënten in de vegetatieve toestand ontdekte Laureys dat de zeven patiënten die later ontwaakten, het hersenmetabolisme herstelden in regio's die de cortex verbinden met de thalamus, een relaiscentrum in de hersenen.

Hersenletsel kan de zenuwvezels scheuren die berichten tussen verschillende regio's doorgeven, waardoor het integratieproces wordt belemmerd. Evenzo gelooft Schiff dat de circuits die intact zijn gelaten bij minimaal bewuste en vegetatieve patiënten, onregelmatig kunnen communiceren, waardoor het voor de hersenen moeilijk wordt om complexe taken met meerdere hersengebieden te coördineren. Patiënten met een verminderd bewustzijn vertonen ook lage niveaus van neurale activiteit, zegt Schiff; hun hersenen kunnen een poging wagen om een ​​bepaalde taak uit te voeren, waardoor ze een korte schijn van reactievermogen opwekken, maar dan verslappen. De occasionele momenten van helderheid van een patiënt kunnen dus voortkomen uit korte spurten van gesynchroniseerde activiteit. Sommige patiënten hebben misschien het vermogen tot functioneel herstel, maar het hangt af van het rekruteren van neuronale reacties op circuitniveau om een ​​toestand zoals die van de hersenen die normaal werken in stand te houden, zegt Schiff. Emotionele gebeurtenissen, zoals de beschrijving van jeugdherinneringen door een zus, kunnen die circuits beter activeren, wat zou kunnen verklaren waarom emotionele verhalen de sterkste reacties lijken te veroorzaken.

Begrijpen wat de oorzaak is van stoornissen in het bewustzijn zou uiteindelijk licht kunnen werpen op een grotere puzzel: waardoor kan een gezond persoon zich bewust zijn van zichzelf en zijn omgeving? Ik denk dat een gedetailleerd begrip van de noodzakelijke en voldoende voorwaarden voor het herstel van het bewustzijn enorm belangrijke inzichten zal opleveren in de fundamentele aard van de menselijke bewuste staat, zegt Schiff.

Verlaten

Het uiteindelijke doel van Schiff is natuurlijk om ontwaken zoals dat van Terry Wallis teweeg te brengen bij andere minimaal bewuste patiënten. Tijdens een neurowetenschappelijke bijeenkomst afgelopen oktober presenteerde hij voorlopig bewijs dat het elektrisch stimuleren van de thalamus, die sensorische informatie naar de hersenschors stuurt, patiënten kan helpen het bewustzijn te herstellen. Schiff en zijn team gebruikten diepe hersenstimulatie - een therapie die wordt gebruikt om de ziekte van Parkinson te behandelen, waarbij een elektrode in de hersenen wordt geïmplanteerd - om thalamische neuronen te stimuleren bij een 38-jarige patiënt die minimaal bij bewustzijn was en zes jaar ernstig traumatisch hersenletsel had opgelopen voordat. Ze ontdekten dat wanneer de neuronen werden gestimuleerd, de patiënt meer responsief en gecoördineerd was, en zelfs in staat was om met enige onafhankelijkheid een maaltijd te eten.

Hoewel Schiff terughoudend is om over de bevindingen van zijn groep te praten voordat ze in een peer-reviewed artikel worden gepubliceerd, zijn hij en andere neurologen er duidelijk enthousiast over. Dit is een zeer interessante en belangrijke observatie, zegt James Bernat, een neuroloog aan de Dartmouth Medical School, die eraan toevoegt dat het resultaat van Schiff bijzonder opmerkelijk is omdat de patiënt al zo lang in een toestand van minimaal bewustzijn was. Eerdere onderzoeken naar diepe hersenstimulatie, meestal uitgevoerd in Japan, hadden betrekking op recent gewonde patiënten, die hoe dan ook verbeterd zouden kunnen zijn.

Om de werkzaamheid van diepe hersenstimulatie bij de behandeling van bewustzijnsstoornissen te bewijzen en om te bepalen welke patiënten het zou kunnen helpen, zullen andere onderzoekers het succes van Schiff moeten herhalen. Maar dat is een hele opgave. Onderzoek naar minimaal bewuste en vegetatieve patiënten levert enorme obstakels op: de logistiek van het transport van patiënten van instellingen voor langdurige zorg naar beeldvormende laboratoria, de ethische en juridische problemen die komen kijken bij het testen van mensen die geen geïnformeerde toestemming kunnen geven, en de technische uitdaging om patiënten te scannen die kan onvoorspelbaar bewegen en kan instructies om stil te blijven niet begrijpen.

Maar de grootste belemmering voor grotere studies is de financiering. Terry Wallis is een van de meest opmerkelijke herstelzaken die Schiff ooit heeft gezien. En toch heeft hij hem slechts twee keer onderzocht: eerst toen een Brits televisiestation Wallis en zijn familie van Arkansas naar New York vloog, waar Schiff en medewerkers zijn hersenen konden scannen; en toen de producenten van een HBO-documentaire 18 maanden later Wallis' reis naar New York betaalden, zodat wetenschappers de veranderingen konden beoordelen die hadden plaatsgevonden sinds de eerste scan.

Je zou kunnen verwachten dat een deel van het opwindende onderzoek met minimaal bewuste patiënten in de afgelopen twee jaar meer geld naar het veld zou brengen, maar dat moet nog gebeuren. Begin november ontving Schiff teleurstellend nieuws: de National Institutes of Health, de belangrijkste instantie voor biomedische financiering in de Verenigde Staten, had geweigerd grotere studies te financieren naar de diagnostische methoden die hij en anderen hebben ontwikkeld. Hij zegt dat hoewel sommige subsidie-recensenten enthousiast zijn over de recente bevindingen, anderen terughoudend zijn om geld uit te geven aan een groep patiënten die volgens hen niet meer te hopen is. Ik denk dat het een discriminerende vooringenomenheid toont tegen deze patiëntenpool, zegt Schiff.

Neurologen die bewustzijnsstoornissen bestuderen, zeggen dat fatalisme over de vooruitzichten van hun patiënten veel verder reikt dan de muren van financieringsorganisaties. De familie van Wallis diende bijvoorbeeld 19 jaar lang jaarlijks een verzoekschrift in voor een neuroloog, zonder succes. En Schiff zegt dat de families van patiënten die deelnamen aan zijn studies hem vaak bedanken voor hun interesse. Hun uniforme ervaring is dat het niemand iets kan schelen, zegt hij. Ze worden volledig in de steek gelaten door mensen die anders voor hen zouden hebben gezorgd.

Als Schiff en anderen gelijk hebben, omvat deze populatie van in de steek gelaten patiënten veel mensen die zich bewust zijn van hun omgeving. En het herstel van Wallis dient als een voorbeeld van hoeveel sommige van deze patiënten zouden kunnen verbeteren als ze voorzichtig terug naar de wereld van volledig bewustzijn kunnen worden gepord. Terwijl Wallis ijverig werkt aan zijn revalidatieoefeningen, zet Schiff zijn hardnekkige zoektocht voort naar aanwijzingen over hoe hij zo'n herstel bij anderen kan aanwakkeren, en komt hij steeds dichter bij het begrijpen van de mysteries van het bewustzijn.

Emily Singer is de redacteur biotechnologie en life sciences van Technologie beoordeling .

zich verstoppen