Bewustzijn meten door het brein te verstoren

Neurowetenschappers ontwikkelden een nieuwe techniek om patiënten met ernstig hersenletsel objectief en betrouwbaar te diagnosticeren. Met deze methode kunnen artsen de vegetatieve staat, de minimale bewustzijnstoestand en het locked-in syndroom veel beter van elkaar onderscheiden.

16 augustus 2013

Wachten aan de rand van het bed, en hopen dat het bewustzijn van de patiënt zich herstelt. Familie en vrienden van comapatiënten staan niet alleen in deze onzekere situatie: ook hersenonderzoekers voelen zich vaak machteloos.

‘Bewustzijn’ is namelijk een erg lastig te meten ‘eigenschap’ van je hersenen. Als iemand door een ongeluk of zuurstoftekort acuut hersenletsel heeft opgelopen, is de coma vaak al na een paar weken voorbij en moet de arts de patiënt scherp in de gaten gaan houden: is er al een spoortje bewustzijn te bespeuren? Medici proberen dit in te schatten aan de hand van het gedrag van de patiënt: beweegt iemand alleen reflexmatig of reageert hij bewust op zijn omgeving?

Een boomdiagram van de verschillende bewustzijnsniveaus waar patiënten na hun coma (die vrijwel nooit langer dan een paar weken duurt) in terecht kunnen komen, en vermoedelijk doorheen moeten op weg naar een volledig of gedeeltelijk herstel van alle hersenfuncties. Elk stadium bevat zijn eigen gradaties.
Coma Science Group Luik

Deze observaties zijn echter vaak onbetrouwbaar: hoewel de patiënt comateus op bed lijkt te liggen, kan het brein nog of alweer sporen van bewustzijn bevatten. Dit is van cruciaal belang voor de prognose: hoe meer bewustzijn, hoe groter de kans op herstel. Zo kan een goede diagnose het verschil meten tussen de verschillende bewustzijnstoestanden, zoals (1) de weinig hoopvolle vegetatieve staat, waarbij de patiënt zelf ademt en reflexmatig de ogen opent, maar zich niet bewust is van zichzelf of de omgeving, (2) de eerste stap op weg naar herstel: de minimale bewustzijnstoestand en (3) het zeldzame locked-in syndroom, waarbij een patiënt zich in een vegetatieve toestand lijkt te bevinden, maar in feite volledig bewust is en dit door verlamming niet kenbaar kan maken.

http://www.youtube.com/watch?v=ztjsVevmcIY

Hoog tijd voor een techniek die bewustzijnsniveaus wel betrouwbaar kan meten, vonden Marcello Massimini, hoogleraar Neurofysiologie aan de Universiteit van Milaan, en zijn collega’s van onder andere de Coma Science Group van de Universiteit van Luik, onder wie neuroloog Steven Laureys.

Complexe samenwerking

“Dit is de eerste keer dat we verder gaan dan het simpelweg observeren van het brein of gedrag: deze techniek is gebaseerd op onze theorie over bewustzijn,” benadrukt Laureys. Namelijk dat in een gezond brein alle hersengebieden hun eigen specialistische taken hebben en deze continu naar elkaar communiceren. Als het brein deze complexe samenwerking verliest – door bijvoorbeeld een ongeluk of zuurstoftekort – worden de commando’s minder specialistisch en gaan hersengebieden slechter communiceren. Dit resulteert in vermindering van het bewustzijn.

Slapend onbewust

Bewustzijnsvermindering is ook te zien als je slaapt, want dan komt je bewustzijn op een laag pitje te staan. Als je dan het geluid van een hond hoort, wordt alleen het stuk hersenschors dat geluid verwerkt actief. Maar hoor je deze hond overdag, dan denk je misschien aan je eigen hond, word je bang of kijk je om je heen waar het geluid vandaan komt. Dan heeft je brein niet alleen een geluid, maar ook allerlei geheugen-, emotie- en ruimtelijke processen te verwerken: de complexiteit van hersenactiviteit is veel groter.

Je brein verstoren

Massimini ontdekte dat je deze complexiteit kan meten door het combineren van twee al bestaande technieken. Eerst wordt de rustactiviteit van het brein door middel van transcraniële magnetische stimulatie (TMS) kortstondig verstoord met een magneetveld. Vervolgens wordt met EEG-elektroden gemeten hoe het brein hierop reageert en de normale functies probeert te herstellen. De vorm en intensiteit van de hersengolven die daarbij ontstaan, geven een indicatie van de complexiteit van hersenprocessen.

Een grafiek die de golfvorm van een eeg-golf laat zien. — Hersengolven op een EEG-scan.
Psychlopedia, via CC 0

Deze techniek is gedoopt als de Perturbational Complexity Index (PCI), niets anders dan een maat voor hoe complex de herstelreactie van je brein is als zijn alledaagse routine wordt verstoord. De PCI-waarde hangt niet af van de gewone activiteit van je brein – dat is voor elke gezonde persoon sowieso al anders – maar van het aantal geïntegreerde hersensystemen dat actief is, en die als gevolg van de TMS-verstoring één voor één weer moeten opstarten. En precies daarom moet je de breinsystemen eerst verstoren voordat je ze kan meten: normaal gesproken lopen deze kriskras door elkaar heen en kan je ze niet van elkaar onderscheiden.

Massimini en zijn collega’s beschrijven de Perturbational Complexity Index (PCI).

Herstelwerkzaamheden

De onderzoekers testten de techniek op 150 gezonde proefpersonen die wakker waren, of droomden, of onder verschillende niveaus van verdoving waren gebracht door medicijnen. Daarnaast werd de techniek ook getest op 50 patiënten die waren ontwaakt uit een coma en zich in de vegetatieve toestand, de minimale bewustzijnstoestand of het locked-in syndroom bevonden. De onderzoekers selecteerden alleen patiënten over wie alle andere testen – met functionele MRI, PET-scans en de meest betrouwbare vragenlijsten als de JFK Coma Recovery Scale – een eenduidige diagnose hadden gegeven.

Elke keer weer bleek de ingeschatte PCI-score een nauwkeurige indicatie van de mate van bewustzijn. Zo reageert het brein van een patiënt in de vegetatieve toestand op TMS met sterk gelokaliseerde hersenactiviteit, óf juist met verspreide, maar erg simpele golfjes. Aan de andere kant van het spectrum staan EEG-resultaten van gezonde deelnemers: bij hen lokte de TMS juist lange, aanhoudende en complexe EEG-reacties uit.

Verkeerde diagnose

“Mocht deze test na vervolgstudies nog steeds zo mooi kloppen, dan kan deze misschien ingevoerd worden,” concludeert Laureys. “Artsen worden dan minder afhankelijk van het uiterlijke gedrag van een patiënt om zijn bewustzijnsniveau in te schatten. Zo kunnen verkeerde diagnoses worden voorkomen.”

En die zijn er helaas nog al eens. Uit een onderzoek van de Coma Science Group blijkt dat 41 procent van de patiënten die zich volgens hun artsen in de vegetatieve toestand bevonden, eigenlijk al minimaal bewust was. En nog erger: “Soms wordt een patiënt jarenlang als vegetatief gezien, terwijl deze eigenlijk locked-in en dus volop bewust is. In meer dan de helft van deze gevallen is het niet het medisch team, maar een naaste die deze fout vermoedt.”

Bronnen:

Massimini, Casali, Laureys ea: A Theoretically Based Index of Consciousness Independent of Sensory Processing and Behavior, Science Translational Medicine (2013) DOI:10.1126/scitranslmed.3006294
Nicholas Schiff: Making Waves in Consciousness Research, Science Translational Medicine (2013) DOI:10.1126/scitranslmed.3007004