Mysteriet bakom anestesi

Att kartlägga hur våra neurala kretsar förändras under inverkan av anestesi kan kasta ljus över en av neurovetenskapens mest förbryllande gåtor: medvetandet. Förbi

• Courtney Humphries arkivsida

20 december 2011

En videoskärm visar en man i sena 60-årsåldern som ligger vaken på ett operationsbord. Strax utanför kamerans vy rör en läkare sitt finger framför mannens ansikte och instruerar honom att följa det fram och tillbaka med ögonen. Sekunder senare, efter en dos av det kraftfulla bedövningsmedlet propofol, börjar hans ögonlock att sjunka. Då slutar hans pupiller att röra sig. Endast hjärtmonitorns stadiga bakgrundspipande fungerar som en påminnelse om att mannen inte är död. Han är i koma, förklarar läkaren Emery Brown. Generell anestesi är en läkemedelsinducerad reversibel koma.

Som narkosläkare vid Massachusetts General Hospital (MGH) är Brown ständigt vittne till en av modern medicins mest djupgående och mystiska bedrifter. Varje dag genomgår nästan 60 000 patienter i USA generell anestesi, vilket gör att de kan överleva även de mest hemska operationer omedvetna och utan smärta.

Den här historien var en del av vårt januarinummer 2012

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Men även om läkare har satt människor under i mer än 150 år, är vad som händer i hjärnan under allmän anestesi ett mysterium. Forskare vet inte mycket om i vilken utsträckning dessa droger kopplar in i samma hjärnkrets som vi använder när vi sover, eller hur det att bli sövd skiljer sig från andra sätt att förlora medvetandet, som att falla in i koma efter en skada. Stängs delar av hjärnan verkligen av, eller slutar de helt enkelt att kommunicera med varandra? Hur skiljer sig att bli sövd från ett tillstånd av hypnos eller djup meditation? Och vad händer i hjärnan i övergången mellan medvetenhet och omedvetenhet? Vi vet att vi kan ta dig in och ut ur det här på ett säkert sätt, säger Brown, men vi kan fortfarande inte riktigt berätta hur det fungerar.

Brown, som också är neuroforskare och professor vid MIT, syftar till att förvandla anestesi från ett enbart kliniskt verktyg till ett kraftfullt instrument för att studera de mest grundläggande frågorna om hjärnan. Att förstå vad som händer med hjärnan under bedövningsmedel tror han kommer att bidra till att göra anestesin säkrare och effektivare, med färre biverkningar. Det kan också leda till nya behandlingar för koma och andra hjärntillstånd – och till insikter i grundläggande frågor inom neurovetenskap, inklusive medvetandets natur. Anestesiologi är en form av neurovetenskap, säger George Mashour, en anestesiolog och neuroforskare vid University of Michigan. Och det vi gör på en daglig basis är att modulera praktiskt taget alla aspekter av nervsystemet.

FRÅN CHATTER TILL CHANT

Neurovetenskap har ofta dragit nytta av naturliga experiment – ​​patienter som förlorar sin förmåga att komma ihåg, producera språk eller reglera sina känslor efter att delar av deras hjärnor skadats eller måste avlägsnas kirurgiskt. Anestesiologer leder ett analogt experiment varje dag: de ser medvetandeelement försvinna. Under generell anestesi, till exempel, förlorar patienter smärtuppfattning, medvetenhet, minne och förmåga att röra sig. En narkosläkare kan påverka var och en av dessa förändringar på olika sätt genom att variera de doser och typer av läkemedel som används.

Genom att ta bort olika funktioner som vi förknippar med medvetande, säger Brown, kanske vi kan börja lägga ihop delar av pusslet. Neurovetenskapsmän kan börja göra för medvetandet vad de har gjort med minne och språk.

Brown är en del av en liten men växande grupp anestesiologer som använder elektroencefalogrammet (EEG), ett verktyg för att övervaka hjärnans elektriska aktivitet, för att systematiskt undersöka varje aspekt av anestesi hos människor och djur. EEG-baserade hjärnmonitorer är redan en vanlig syn i operationssalar; vissa anestesiläkare spårar hjärnaktiviteten hos sina patienter med kommersiellt tillgängliga monitorer som använder algoritmer för att omvandla EEG-signaler till råa index. (Andra spår bara fysiska tecken som hjärtfrekvens och blodsyrenivåer.) Men få av dem, säger han, spenderar tid på att titta på rå EEG-data.

Brown har dock ett annat perspektiv än de flesta narkosläkare; han är också statistiker. Efter att ha fått både en MD och en doktorsexamen från Harvard i slutet av 1980-talet, fortsatte han de två vägarna separat, och arbetade i operationssalarna på MGH medan han ledde ett forskningslaboratorium fokuserat på att utveckla signalbehandlingsalgoritmer för att extrahera information från biologiska data.

Brown uppskattade inte neurovetenskapliga experiment som ägde rum framför honom varje dag under operationen förrän en av hans kollegor föreslog att göra en studie på sövda patienter. När du ser processen utvecklas börjar du inse att delar av hjärnan inte stängs av samtidigt, säger han. Det finns en hierarki, det finns en gradering i den.

Detsamma gäller när drogerna tar slut. Vanligtvis kommer de mest grundläggande hjärnfunktionerna tillbaka först - andningen återgår, och sedan, när de områden av hjärnstammen som kontrollerar salivutsöndring och tårkanaler återupplivas, fylls patientens mun med saliv och deras ögon vattnas. De sväljer och hostar när områden som kontrollerar känseln i halsen blir aktiva. Till slut rör sig deras ögon, och då reagerar de på omvärlden. Senare kommer grogginess att lyfta och komplexa hjärnfunktioner kommer att återupptas. När du är uppmärksam och tittar på dessa övergångar är det bara fantastiskt, säger Brown. Vi skulle verkligen vara försumliga om vi inte sedan gick vidare och försökte ta reda på vad dessa tillstånd är, vad som faktiskt händer i hjärnan, och sedan tänka på nya sätt att förbättra anestesiprocessen.

En av de saker som slog Brown av att titta på sina patienters EEG är hur snabbt och fullständigt läkemedel som propofol kan förändra hjärnans aktivitet. När patienterna går in i ett sövt tillstånd skiftar det normala mönstret av lågintensiva men högfrekventa vågor till en av mindre frekventa men mer intensiva pulser – som om hjärnans konstanta prat hade gett vika för en sång. Platsen för aktivitet skiftar från baksidan av hjärnan till framsidan. Även om det är möjligt att ta patienter in i ett så djupt tillstånd av medvetslöshet att deras EEG är i princip platt, växlar i de flesta fall utbrott av EEG-aktivitet med perioder av relativ inaktivitet som kan vara i minuter. Hjärnprocesserna verkar väldigt organiserade, säger han. Det finns väldigt regelbundna mönster i tiden och väldigt regelbundna mönster i rummet.

Kartlägga det omedvetna: Detta spektrogram visar EEG-inspelningar från en patient som genomgår narkos. Två doser av det intravenösa bedövningsmedlet propofol leder till utbrott av aktivitet (minut sju). Sedan tillsätts ett inhalerat bedövningsmedel, isofluran, och vid minut 14 börjar ett karakteristiskt mönster av långsamma vågor och alfaoscillationer. Operationen avslutas vid minut 16 och isofluranen stängs av. EEG skiftar gradvis till högfrekventa, mindre intensiva svängningar.

Brown säger att vissa läkemedel kommer att minska frekvensen av hjärnvågor som ses i EEG-avläsningar, vilket resulterar i långsamma, regelbundna oscillerande vågor över stora delar av hjärnan. Andra läkemedel gör att vissa områden visar snabba, regelbundna svängningar. Eftersom narkosläkare vanligtvis ger en cocktail av läkemedel till varje patient, kan dessa effekter inträffa samtidigt. Resultatet, säger Brown, är som en blockerad signal: Hur som helst kan [de olika delarna av hjärnan] inte kommunicera.

Under de senaste åren har andra EEG-studier stött tanken att anestesi inte bara stänger av hjärnan utan snarare stör dess interna kommunikation. Mashours forskning har till exempel visat att återkoppling mellan fram- och baksidan av hjärnan avbryts under generell anestesi, vilket leder till att olika hjärnnätverk bryts. Den feedbacken anses vara viktig för medvetandet.

På samma sätt säger Anthony Hudetz, en anestesiläkare vid Medical College of Wisconsin i Milwaukee, att anestesi inte bara stänger av sinnena. Hudetz administrerar anestesi till frivilliga på lägre nivåer än kliniska för att observera deras hjärnor när de glider in i medvetslöshet. Det vi finner är att den sövda hjärnan fortfarande är väldigt reaktiv mot stimuli, säger han; både EEG och funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI), en indirekt metod för att mäta hjärnaktivitet, visar respons på ljus och ljud. Men på något sätt bearbetas och integreras den sensoriska informationen aldrig i den typ av aktivitet som krävs för medveten medvetenhet.

Bättre förståelse för dessa förändringar kan peka på en väg mot nya behandlingar för hjärnskada och andra störningar. Mönstren av mycket strukturerade svängningar hos patienter som får anestesimedel liknar tillstånd som ses hos personer som förlorar medvetandet under epileptiska anfall eller som är i djup koma. Och halvmedvetandet som blir resultatet av låga doser av drogerna liknar vanlig vakenhet eller de tidiga stadierna av att somna. Men att ta reda på exakt hur och varför dessa mönster är relaterade kommer att ta närmare granskning.

KARTA KOMMUNIKATIONSFÖRDELNINGEN

För att verkligen förstå om kommunikationen mellan olika hjärnområden har gått sönder behöver forskare ett sätt att kartlägga aktiviteten i dessa regioner och interaktionerna mellan dem i större rumslig detalj. För det vänder de sig till fMRI, som mäter förändringarna i blodflödet i samband med neural aktivitet (se Ökat medvetande, januari/februari 2007) .

Tillsammans med bioingenjören Patrick Purdon och andra kollegor på MGH har Brown utvecklat ett sätt att samtidigt ta EEG-inspelningar och utföra fMRI-skanningar på patienter när de går in i ett djupt sövt tillstånd. Hjärnavbildning hos människor som genomgår anestesi är knepigt eftersom det kräver att personer bedövas i en skanner och utanför en normal operationssal. Brown och hans kollegor hittade ett sätt att lösa de tekniska problemen och säkerhetsproblemen: de rekryterade frivilliga som redan hade fått trakeostomier, eller kirurgiska hål i halsen. Det innebar att ett rör lätt kunde användas för att återställa deras andning i en nödsituation. 2009 visade forskarna att de säkert kunde registrera både EEG- och fMRI-data på personer under narkos; nu arbetar de med att korrelera bild- och EEG-data med de observerbara förändringarna som ses när patienter går in i ett sövt tillstånd.

Brown arbetar också med Purdon för att studera epilepsipatienter som har fått elektroder inopererade i sina hjärnor i flera dagar så att läkare kan registrera och lokalisera anfall. När patienterna opereras för att ta bort de områden i hjärnan som identifierats som anfallsställen, registrerar elektroderna hjärnvågor när anestesi ges. Dessa elektroder samlar in data om en mycket mindre del av hjärnan än EEG eller fMRI, men upplösningen är mycket högre, vilket gör att forskare kan få en känsla av vad som händer i hjärnan på cellnivå när patienten sövs. Uppföljningsstudier på djur skulle kunna ge ännu fler detaljer genom att tillåta forskarna att implantera elektroder mer omfattande och på exakta platser. Forskarna kommer att kunna dokumentera – inifrån själva hjärnan – hur aktivitet förändras när hjärnan glider in i och ut ur medvetandet.

SLUTAR TILLSAMMANS MEDVETANDE

Om du systematiskt kan katalogisera hur hjärnan förlorar medvetandet under påverkan av anestesimedel, kan du härleda vad medvetandet består av?

Brown är snabb med att påpeka att han inte explicit studerar medvetande; det är ett rörigt problem, och många neuroforskare undviker själva ordet. Hans tillvägagångssätt är att studera vad han kallar förändrade tillstånd av upphetsning. Dessa inkluderar anestesi, sömn, koma, hypnos och meditation, såväl som aspekter av sjukdomar som schizofreni, epilepsi och Parkinsons sjukdom. Han tror att förståelsen av hur hjärnan fungerar när den avviker från sitt normala medvetandetillstånd oundvikligen kommer att kasta ljus över vad medvetande är.

Anestesistudier har redan ifrågasatt en populär teori, som kopplar medvetandet till en viss typ av hjärnvåg med en frekvens runt 40 hertz. Mashour påpekar att forskning inom anestesi visar att dessa vågor kan existera även när patienter är medvetslösa. Men mönstren som narkosläkare ser stöder en annan teori: att medvetande uppstår från integrationen av information över stora nätverk i hjärnan. Hudetz säger att även om olika droger har olika kemiska strukturer och olika effekter, som att blockera minnet eller att lugna hjärnan, om vi ger någon av dessa droger i en tillräckligt hög dos, tar de vid någon tidpunkt bort medvetandet. Hur får vi denna gemensamma slutpunkt genom att en sådan mängd läkemedel verkar genom olika molekylära mekanismer? En förklaring är att eftersom medvetandet uppstår från det komplexa samspelet mellan många typer av aktiviteter, kan det störas på många olika sätt.

Brown hoppas att insikterna från detta arbete kan spridas till andra områden. Att veta mer om hur hjärnan fungerar under anestesi kan hjälpa forskare att upptäcka hjärnaktivitet hos människor i vegetativa tillstånd, vilket avslöjar att de kan uppfatta mer än vad man tidigare trott. De säkrare anestetika som kan komma från forskningen kan vara användbara inom sömnmedicin, och sätt att återuppliva kognitiv funktion hos sövda patienter kan ge upphov till strategier för att hjälpa människor att komma ur koma. Ketamin, ett vanligt använt bedövningsmedel, har visat sig lovande som en behandling för depression; andra anestesimedel kan också visa sig ha effekter som lämpar sig för behandling av psykiatrisk sjukdom. Att studera förlusten av medvetande i anestesi kommer inte bara att belysa det medvetna sinnets natur utan föra dessa tillstånd av dämpat eller förändrat medvetande ut ur skuggorna.

Courtney Humphries är en vetenskapsskribent och författare till Superdove: How the Pigeon Took Manhattan … och världen .

Dölj