Medvetandehöjande

2003 yttrade 39-årige Terry Wallis sitt första ord (mamma) under de 19 åren sedan en bilolycka hade gjort att han fick allvarliga hjärnskador. Han hade tillbringat mycket av de föregående två decennierna i vad neurologer kallar ett minimalt medvetet tillstånd, någonstans i gråzonen mellan koma och medvetande. Under åren innan hans uppvaknande hade Wallis familj dock märkt att han blev piggare och lyhördare, ibland nickade, grymtade eller till och med grät, tills han en dag spontant började prata. Även om Wallis fortfarande har allvarliga försämringar i minne och rörelse, fortsätter han att göra anmärkningsvärda framgångar.

Ingen vet vad som ledde till att Wallis återvände till den vakna världen. Men neurologen Nicholas Schiff är fast besluten att ta reda på det. En forskare vid Weill Cornell Medical College i New York City, Schiff är en av en handfull forskare som studerar människor som Wallis, patienter som tillbringar månader eller år till synes omedvetna om omvärlden och oförmögna att kommunicera. Med hjälp av nya hjärnavbildningstekniker hoppas Schiff bättre förstå medvetandets komplexa natur - och hitta sätt att hjälpa till att behandla de tusentals patienter som lider av allvarliga medvetandestörningar.

Den här historien var en del av vårt januarinummer 2007

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Åtta månader efter Wallis första ord började Schiff och hans medarbetare ta ögonblicksbilder av Wallis hjärna med en ny metod som kan skapa detaljerade kartor över hjärnans nervfibrer. Det de hittade överraskade dem. Under det följande och ett halvt året verkade forskarnas bilder visa att Wallis hjärna delvis hade läkt sig själv. Men hur? Och vad utlöste läkningsprocessen?

Under de senaste decennierna har förbättrad medicinsk teknik hållit fler människor vid liv efter hjärnskador, men många av dem har lämnats i till synes permanenta tillstånd av nedsatt medvetande. Omedelbart efter en allvarlig hjärnskada går en patient ofta in i koma – en period av medvetslöshet som vanligtvis varar i dagar eller högst veckor. De som överlever vaknar inte nödvändigtvis; istället kan de gå in i ett vegetativt tillstånd eller ett minimalt medvetet tillstånd (MCS), som kan pågå i flera år. Även om det är svårt att avgöra hur många patienter med minimalt medvetande det finns i USA (MCS introducerades som en diagnostisk kategori först 2002), menar vissa uppskattningar antalet till 25 000 eller mer - ungefär 10 gånger antalet vegetativa patienter. (De två tillstånden kan vara svåra även för neurologer att särskilja. Vegetativa patienter definieras som de som är helt omedvetna om sin miljö, medan patienter som är i ett minimalt medvetande tillstånd ibland kan skratta eller gråta, sträcka sig efter föremål eller till och med svara på enkla frågor .)

Till skillnad från Wallis vaknar de flesta patienter som tillbringar år i ett minimalt medvetande aldrig upp. Utsikterna för återhämtning minskar allt eftersom tiden tickar iväg, så många läkare antar en sorts terapeutisk nihilism mot dem som ihållande är medvetslösa, förutsatt att deras fall är hopplösa, säger Steven Laureys, neurolog vid universitetet i Liège i Belgien. MCS-patienter har få behandlingsalternativ och de flesta får inte rigorös långtidsuppföljning eller intensiv rehabilitering. Wallis, till exempel, hade ingen neurolog, och inte mycket medicinsk historia samlades in under hans 19-åriga uppehåll från medvetandet.

Nya studier från Schiffs labb och andra har dock visat att åtminstone några av dessa till synes omedvetna patienter har en häpnadsväckande hög nivå av hjärnaktivitet, som mentalt reagerar på berättelser och kommandon ungefär som en frisk person skulle göra. Schiff och andra som studerar patienter med minimalt medvetande är noga med att skilja dem från patienter som Terri Schiavo, som fick rikstäckande mediauppmärksamhet 2005. Schiavo var i ett vegetativt tillstånd, som hon gick in i efter att brist på syre ledde till en utbredd hjärncellsdöd. När en hjärnskada orsakas av trauma, å andra sidan, är skadan ofta begränsad till de nervfibrer som förbinder olika delar av hjärnan och vissa neurala kretsar kan förbli intakta. Bland dessa patienter avslöjar de nya avbildningsstudierna en överraskande potential för visst återställande av normal hjärnaktivitet.

Fynden ger hopp för en grupp människor som till stor del getts upp för förlorade av det medicinska samfundet. Schiff och andra arbetar med att sätta ihop de strukturella eller funktionella förändringar som gör att vissa MCS-patienter kan vakna; så småningom hoppas forskarna kunna designa behandlingar som kan stimulera dessa förändringar hos andra. Samtidigt öppnar de ett fönster mot en dold värld. Medvetande är en subjektiv förstapersonsupplevelse, säger Laureys. Det är mycket knepigt att dra slutsatsen frånvaron av medvetande baserat på frånvaron av respons vid sängkanten. Det kan finnas någon inre värld som vi inte har något sätt att bedöma.

Mental tennis

1998 banade Joy Hirsch, en neuroforskare vid Columbia University Medical Center i New York, vägen för studier som använder funktionell MRI (fMRI) för att bedöma nedsatt medvetande. Genom att mäta blodflödet i hjärnan kan fMRI lokalisera områden som är aktiva när en person till exempel känner ilska eller arbetar med ett abstrakt problem. Hirsch ville ha ett sätt att lokalisera – och därmed skydda – språkområdet hos spädbarn som behövde hjärnoperationer. Medan de flesta tidigare fMRI-studier hade krävt att frivilliga utför specifika uppgifter, som att läsa eller tala, för att aktivera de relevanta delarna av hjärnan, fann Hirsch att bara att läsa en berättelse för bebisarna kunde stimulera regionen som är involverad i tal. Det blev uppenbart, säger hon, att samma teknik kunde användas för att testa kognitiv funktion hos patienter med minimalt medvetande.

Med hjälp av ytterligare förbättringar inom bildteknik använde Hirsch och Schiff 2005 fMRI för att undersöka hur två patienter som var minimalt medvetna reagerade på historier berättade av vänner och familjemedlemmar. Resultaten liknade de som sågs hos friska frivilliga. Berättelserna utlöste aktivitet i språkcentra och andra delar av hjärnan, vilket tyder på att vissa kluster av neuroner förblev intakta och fungerade. När en patient lyssnade på sin syster berätta historier om sin barndom, till exempel, tändes delar av hans synsystem, vilket tyder på att han kanske föreställer sig dessa scener.

Fynden väckte ett intensivt intresse bland neurologer, men utan direkta rapporter från försökspersonerna själva var det svårt att bedöma exakt vad patienterna upplevde. Var de fångade i ett ensamt mentalt fängelse, medvetna om världen utanför men oförmögna att svara på den? Upplevde de bara isolerade ögonblick av medvetenhet? Eller var hjärnaktiviteten helt enkelt en sorts kognitiv reflex, utlöst av en välbekant röst och några suggestiva ord eller namn?

2005 påbörjade Adrian Owen, en neuroforskare vid Medical Research Council i Cambridge, England, en serie experiment för att ta itu med dessa frågor. Owen och hans medarbetare skapade ett hjärnavbildningstest som de hoppades skulle indikera om någon faktiskt var medveten om hans eller hennes miljö. En MCS-patient instruerades att föreställa sig att spela tennis när hon hörde ordet tennis, eller att föreställa sig att gå genom sitt hus när hon hörde ordet hus; hon placerades sedan i skannern och fick hörseluppmaningar. Testet var utformat för att utvärdera både korttidsminnet, eftersom instruktionerna gavs i god tid före uppmaningarna, och förmågan till ihållande uppmärksamhet, eftersom patienten blev tillsagd att fortsätta föreställa sig en scen tills han blev ombedd att sluta. Det viktigaste är att det var utformat för att kräva avsiktliga åtgärder.

Om du är frisk, inbillar dig att du spelar tennis eller navigerar i ditt hus aktiverar specifika delar av din hjärna – respektive de kompletterande motoriska områdena, som styr motoriska reaktioner, och parahippocampus gyrus, som spelar en roll i minnet av scener. Så forskarna visste exakt vad de skulle leta efter hos patienter med nedsatt medvetande. Deras försöksperson var en 23-årig kvinna som hade lämnats i ett vegetativt tillstånd efter en bilolycka 2005. Vid tidpunkten för studien hade fem månader förflutit sedan hennes olycka, vilket betyder att hon statistiskt sett hade 20 procent chans till viss återhämtning. Hon visade inga yttre tecken på medvetenhet.

Resultaten av testet var chockerande, till och med spektakulära, enligt en kommentar som åtföljde deras publicering i tidskriften Vetenskap förra hösten. När vi pekade på henne med ordet 'tennis' skulle hennes hjärna aktiveras på ett sätt som inte går att skilja från en frisk person, säger Owen. Detsamma gällde för ordet hus. Vi tycker att fMRI otvetydigt visade att hon är medveten, säger han.

Medan patienten uppfyllde alla kliniska krav för att vara i ett vegetativt tillstånd, visade hennes fMRI tydligt en hjärna som kan relativt komplex stimulusbearbetning. Ändå är det ännu inte säkert vilka slutsatser som kan dras från hennes fall. Vi har studerat över 60 patienter i Belgien och har aldrig sett aktivering förenlig med medveten uppfattning, säger Laureys. Jag tror definitivt att detta är undantaget, men jag kan inte säga om det är ett fall på en på tusen eller en på en miljon. Owen planerar nu att köra samma tester på fler patienter, med en variant av fMRI som visar hjärnans svar i realtid.

Den kanske mest förbryllande frågan som ställs av resultaten rör patientens sinnestillstånd: är hon verkligen vid medvetande? Det är en fråga om en viss debatt: Owen tror att patienten var medveten om sig själv och sin omgivning, men andra neurologer är inte så säkra. Ingen vet vad hon egentligen tänkte under skanningen, säger Laureys.

Svaret kan komma med Owens nästa omgång av experiment, som är utformade för att utföra det som vissa anser vara det bästa testet av medvetande – att fråga en person om hans eller hennes sinnestillstånd. Med hjälp av fMRI i realtid kan forskare ställa frågor till patienter och mäta deras svar utifrån deras hjärnaktivitet. Till exempel, eftersom forskare känner till aktivitetsmönstren förknippade med föreställda tennisspel och promenader genom hus, kan de säga till sina patienter att tänka på tennis för ja och husturer för nej, och sedan ställa binära frågor medan de utför hjärnskanningar.

Liksom Schiff och Hirschs upptäckter är Owens både fascinerande och oroande, till stor del för att neurologer ännu inte vet vad de ska göra med dem. Betyder hjärnaktiviteten hos kvinnan Owen studerade att hon snart kommer att vakna? Hur är det med andra patienter med liknande skador? Schiff, för en, planerar att se om några av hans patienter som visar synliga tecken på medvetenhet kan replikera Owens resultat. Min gissning är att några av dem kommer klara det, säger han.

Lesioner av medvetande

Vi kommer förmodligen aldrig att veta om Terry Wallis också hade en viss medvetenhet innan hans uppvaknande. Men en typ av hjärnavbildning känd som diffusionstensoravbildning (DTI) har gett forskare tips om hur hans hjärna har förändrats sedan dess.

DTI är en variant av MRT som ger en oöverträffad bild av hjärnans ledningssystem – de långa, tunna svansarna av neuroner som bär elektriska signaler mellan olika regioner. Wallis första DTI-skanning, registrerad åtta månader efter hans första ord, avslöjade att han hade djup hjärnskada. Men forskare upptäckte också möjliga tecken på att nya neurala kopplingar hade vuxit mellan hjärnstrukturer. I synnerhet verkade ett stort område i baksidan av hans hjärna ha fler nervfibrer än normalt, alla orienterade i samma riktning. Området som omfattas av dessa nya fibrer inkluderade en del av hjärnan som kallas precuneus, som är mycket aktiv under medveten vakenhet men mindre aktiv under sömn eller anestesi.

Arton månader efter den skanningen mådde Wallis ännu bättre. Han kunde röra sina tidigare förlamade ben, en förbättring lika oväntad som att han återhämtade talet, säger Schiff. När forskarna avbildade hans hjärna en andra gång fann de att det ovanliga området i ryggen hade normaliserats, medan en region som var involverad i att reglera rörelsen verkade ha blivit mer sammankopplad. Resultaten publicerades förra året i Journal of Clinical Investigation .

Forskarna kan ännu inte vara säkra på att förändringarna de såg i hjärnbilderna verkligen indikerar tillväxten av nya neuronala anslutningar, och inte heller att dessa förändringar utlöste Wallis återhämtning. Varför dök han upp? Det kan ingen av oss svara på, säger Hirsch. Men det tyder på en biologisk grund för återhämtning.

Hjärnavbildning kan så småningom användas som ett diagnostiskt verktyg för att upptäcka dem som är mest benägna att återhämta sig. Vi måste utveckla bättre sätt att modellera och mäta uppkomsten till medvetande och samla in tillräckligt med data så att vi kan göra statistiska förutsägelser för återhämtning, säger Schiff. Men att identifiera de tydliga förändringarna som förutsäger uppvaknande lovar att bli svårt. Schiff och Hirsch har skannat mer än ett dussin andra patienter utöver Wallis, inklusive flera som har vaknat, och de har ännu inte hittat specifika mönster eller förändringar i hjärnaktivitet som kan signalera att en patient förbättras. Men de tittar fortfarande på om hjärnans nätverksnav är aktiva, till exempel, eller om aktiviteten i olika hjärnområden är synkroniserad. Vi tänker på patienter med traumatisk hjärnskada som patienter med medvetandeskador, säger Hirsch. Hon antar att medvetandet uppstår från ett nätverk av kopplingar snarare än på en specifik plats i hjärnan.

Hjärnan bearbetar ständigt information: syn och ljud spelas in och syntetiseras i olika delar av hjärnan, sedan smälts samman i andra områden, vilket skapar en sammanhängande bild av omvärlden. Och tidiga bevis tyder på en koppling mellan medvetande och förmågan att integrera information. I en studie av 60 patienter i vegetativt tillstånd fann Laureys att de sju patienter som senare vaknade återställde hjärnans metabolism i regioner som förbinder cortex med thalamus, ett reläcentrum i hjärnan.

En skada på hjärnan kan slita sönder nervfibrerna som förmedlar meddelanden mellan olika regioner, vilket hindrar integrationsprocessen. På samma sätt tror Schiff att kretsarna som lämnas intakta hos minimalt medvetna och vegetativa patienter kan kommunicera oregelbundet, vilket gör det svårt för hjärnan att koordinera komplexa uppgifter som involverar flera hjärnområden. Patienter med nedsatt medvetande uppvisar också låga nivåer av neural aktivitet, säger Schiff; deras hjärnor kan ta ett hugg på en viss uppgift, generera ett kort sken av lyhördhet, men sedan tappar de ut. En patients tillfälliga ögonblick av klarhet kan då komma från korta strömmar av synkroniserad aktivitet. Vissa patienter kan hysa kapaciteten för funktionell återhämtning, men det beror på att man rekryterar neuronsvar på kretsnivå för att upprätthålla ett tillstånd som det i hjärnan som fungerar normalt, säger Schiff. Känslomässiga händelser, som en systers beskrivning av barndomsminnen, kan göra ett bättre jobb med att aktivera dessa kretsar, vilket kan förklara varför känslomässiga berättelser verkar utlösa de starkaste reaktionerna.

Att förstå vad som orsakar försämringar i medvetandet skulle i slutändan kunna kasta ljus över ett större pussel: vad gör det möjligt för en frisk person att vara medveten om sig själv och sin omgivning? Jag tror att en detaljerad förståelse av de nödvändiga och tillräckliga förutsättningarna för medvetandets återhämtning kommer att ge oerhört viktiga insikter om det mänskliga medvetandetillståndets grundläggande natur, säger Schiff.

Övergiven

Schiffs yttersta mål är naturligtvis att väcka uppvaknanden som Terry Wallis hos andra patienter med minimalt medvetande. Vid ett neurovetenskapsmöte i oktober förra året presenterade han preliminära bevis för att elektrisk stimulering av thalamus, som skickar sensorisk information till hjärnbarken, kan hjälpa patienter att återhämta sig medvetande. Schiff och hans team använde djup hjärnstimulering – en terapi som används för att behandla Parkinsons sjukdom, där en elektrod implanteras i hjärnan – för att stimulera talamusneuroner hos en 38-årig patient med minimalt medvetande som hade drabbats av en allvarlig traumatisk hjärnskada i sex år. innan. De fann att när neuronerna stimulerades var patienten mer lyhörd och koordinerad, och kunde till och med äta en måltid med viss självständighet.

Även om Schiff är ovillig att prata om sin grupps fynd innan de publiceras i en peer-reviewed tidning, är han och andra neurologer helt klart entusiastiska över dem. Detta är en mycket intressant och viktig observation, säger James Bernat, neurolog vid Dartmouth Medical School, som tillägger att Schiffs resultat är särskilt anmärkningsvärt eftersom patienten hade varit i ett minimalt medvetande tillstånd så länge. Tidigare studier av djup hjärnstimulering, utförda mestadels i Japan, har involverat nyligen skadade patienter, som kan ha blivit bättre ändå.

För att bevisa effektiviteten av djup hjärnstimulering vid behandling av medvetandestörningar, och för att avgöra vilka patienter det kan hjälpa, kommer andra forskare att behöva duplicera Schiffs framgång. Men det är en stor ordning. Forskning på minimalt medvetna och vegetativa patienter utgör enorma hinder – logistiken för att transportera patienter från långtidsvård till bildlabbar, de etiska och juridiska frågorna som är involverade i att testa människor som inte kan ge informerat samtycke och den tekniska utmaningen att skanna patienter som kan röra sig oförutsägbart och kanske inte kan förstå instruktioner om att hålla sig stilla.

Men det största hindret för större studier är finansieringen. Terry Wallis är ett av de mest anmärkningsvärda återhämtningsfallen Schiff någonsin har sett. Och ändå har han undersökt honom bara två gånger: först när en brittisk tv-station flög Wallis och hans familj från Arkansas till New York, där Schiff och medarbetare kunde skanna hans hjärna; och sedan när producenterna av en HBO-dokumentär betalade Wallis biljett till New York 18 månader senare, så att vetenskapsmän kunde bedöma förändringarna som hade ägt rum sedan den första skanningen.

Man kan förvänta sig att en del av den spännande forskningen med minimalt medvetna patienter under de senaste två åren skulle ge mer pengar till fältet, men det har ännu inte hänt. I början av november fick Schiff nedslående nyheter: National Institutes of Health, den primära biomedicinska finansieringsmyndigheten i USA, hade avböjt att finansiera större studier av de diagnostiska metoder som han och andra har utvecklat. Han säger att medan vissa granskningsgranskare är exalterade över de senaste fynden, är andra ovilliga att spendera pengar på en grupp patienter som de ser som bortom hopp. Jag tycker att det visar på en diskriminerande partiskhet mot den här patientpoolen, säger Schiff.

Neurologer som studerar medvetandestörningar säger att fatalism om deras patienters framtidsutsikter sträcker sig långt utanför finansieringsorganisationernas väggar. Wallis familj, till exempel, begärde en neurolog årligen i 19 år utan framgång. Och Schiff säger att familjerna till patienter som är inskrivna i hans studier ofta tackar honom för att han överhuvudtaget var intresserad. Deras enhetliga erfarenhet är att ingen bryr sig, säger han. De är helt övergivna av människor som annars skulle ha tagit hand om dem.

Om Schiff och andra har rätt, inkluderar denna population av övergivna patienter många människor som är medvetna om sin omgivning. Och Wallis återhämtning fungerar som ett exempel på hur mycket vissa av dessa patienter skulle kunna förbättras om de försiktigt kan drivas tillbaka till världen av fullt medvetande. Medan Wallis arbetar flitigt med sina rehabövningar, fortsätter Schiff sitt envisa sökande efter ledtrådar om hur man kan få andra att återhämta sig och kommer allt närmare att förstå medvetandets mysterier.

Emily Singer är bioteknik- och biovetenskapsredaktör för Teknikgranskning .

Dölj