La búsqueda de signos ocultos de conciencia en pacientes inalcanzables

Es posible que los expertos no se pongan de acuerdo sobre lo que es o no la conciencia. Pero eso no ha impedido que Marcello Massimini escudriñe las mentes de las personas con lesiones cerebrales profundas para determinar si todavía hay alguien adentro y cómo proceder con el tratamiento.

Russ Juskalian

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• Russ Juskalian página de archivo

25 de agosto de 2021

A primera vista, no hay nada extraordinario en el hospital de poca altura y sin inspiración en el lado oeste de Milán, conocido cariñosamente como Gnocchi. Pero dos pisos más arriba, en un ala aislada del Don Carlo Gnocchi IRCCS Centro S. Maria Nascente , un hombre poco comunicativo con una lesión cerebral grave está conectado a un conjunto de tecnología que los investigadores creen que puede decirles si está consciente.

El hombre se sienta en lo que parece una silla de dentista motorizada, con la cabeza inclinada hacia atrás y una mascarilla quirúrgica azul que le cubre la boca y la nariz. Una gorra de malla blanca con 60 electrodos, cada uno conectado a un cable de dos metros de largo, se sujeta con una correa debajo de la barbilla. Flotando sobre él, una matriz infrarroja colocada en un brazo articulado rebota señales de sensores conectados a las sienes del hombre para producir una superposición de su cerebro en movimiento, construida por resonancia magnética en un monitor cercano. Un investigador que mira el monitor luego presiona un óvalo de plástico blanco en el cráneo del hombre y dirige pulsos electromagnéticos a áreas del tamaño de Tic Tac de su cerebro.

Esta historia fue parte de nuestra edición de septiembre de 2021

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Cada pulso hace un clic audible. Tres cables pesados, cada uno tan grueso como una manguera de jardín, se enrollan detrás del dispositivo hacia una máquina de un cuarto de millón de dólares que controla la salida. En el otro lado de la habitación, Marcello Massimini, un neurocientífico de cabello rizado y ojos azules, y Angela Comanducci, la neuróloga del paciente, observan en una computadora portátil cómo complicados garabatos azules que representan ondas cerebrales llenan la pantalla casi en tiempo real. Lo que los científicos ven en ellos es el más leve signo de una conciencia liminal, tal vez como un sueño.

Una persona sana sirve como sujeto de prueba para el medidor de conciencia.

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De vuelta en el laboratorio, una computadora asignará a esas grabaciones de ondas cerebrales un número del 0 al 1, el llamado índice de complejidad perturbacional o PCI. Este número único, según Massimini y sus colegas, es una medida cruda de un tipo de complejidad que revela si una persona está consciente. Los investigadores incluso han calculado un límite de 0,31 que, según un estudio de 2016 de la tecnología en sujetos sanos y con lesiones cerebrales, discriminó entre condiciones inconscientes y conscientes con una sensibilidad del 100 % y una especificidad del 100 %. En otras palabras, funciona bien, realmente bien.

Más inquietante es que cuando los investigadores calcularon PCI de un grupo de pacientes con síndrome de vigilia sin respuesta (UWS, una condición anteriormente conocida como estado vegetativo), encontraron que alrededor de uno de cada cinco tenía un valor de PCI dentro de la distribución de la conciencia. Incluso si [tal] paciente no responde por completo, no hay ningún signo de conciencia, me dijo Massimini, se puede decir con confianza que este paciente está consciente.

Tal avance representa el medidor de conciencia más preciso jamás visto en medicina (incluso si todavía es tosco, rudimentario y sin refinar). Las implicaciones médicas son de gran alcance. Las estimaciones sugieren que hay hasta 390.000 personas en todo el mundo con trastornos de la conciencia . Algunos de ellos, que no responden, pueden ser tratados como si nadie estuviera allí, mientras experimentan el mundo despiertos, solos e incapaces de salir de su prisión corporal mientras vivan.

Massimini confía en que PCI puede ayudar a identificar a esas personas.

En julio de 2021, cuando lo visité en Milán, Massimini estaba colaborando con otros investigadores en Milán, Boston, Los Ángeles y más allá. Mientras tanto, las mediciones de PCI ya se están utilizando en Gnocchi para ayudar a guiar el diagnóstico y determinar el potencial de recuperación parcial.

La solución

PCI nació de la búsqueda de superar casi un siglo de obstáculos que se interponen en el camino de la medición de la conciencia. Desde 1924, cuando Hans Berger inventó la electroencefalografía (EEG), los científicos han tratado de acceder a las respuestas eléctricas que utilizan nuestros cerebros para comunicarse, con la esperanza de ver, predecir y medir lo que sucede detrás de la protección de 6,5 milímetros de espesor de nuestros cráneos. El invento de Berger detectó cambios en picos de voltaje producidos por nuestras neuronas, convirtiendo esas señales en garabatos similares a sismógrafos popularizados como ondas cerebrales.

Los patrones de EEG estándar incluyen ondas alfa rápidas, que oscilan unas 10 veces por segundo y son comunes en la conciencia, y ondas delta lentas, que oscilan una vez por segundo y son comunes en el sueño sin soñar o bajo anestesia. Pero escuchar pasivamente el cerebro con EEG es una forma imperfecta de determinar la conciencia, porque las excepciones acechan en todas partes.

El anestésico ketamina puede excitar el cerebro, lo que resulta en ondas alfa y delta alternas. Algunos tipos de pacientes en coma muestran oscilaciones rápidas mientras están inconscientes. Y las personas bajo la influencia de la droga atropina o durante un patrón de convulsiones llamado estado epiléptico informan estar conscientes mientras muestran las ondas cerebrales lentas típicas de la inconsciencia.

Un problema aún mayor es que la propia actividad cerebral de un paciente (resultado de un período de atención corto, somnolencia, movimiento voluntario o involuntario, distracciones visuales o incluso la falta de deseo de seguir instrucciones) puede causar que el EEG pasivo se sesgue y reaccione de maneras que convertir sus mensajes en un desastre.

El caso de PCI es que afirma ser una medida objetiva de la conciencia, un sí o un no relativamente sencillo. Lo que lo diferencia del EEG regular, según Massimini, es que mientras que la tecnología más antigua solo mide la actividad cerebral en curso, PCI mide la capacidad del cerebro para mantener interacciones internas complejas. Puede hacer esto, dice, si le da un golpe al cerebro y luego sigue cómo esa perturbación se filtra y reverbera y se actúa sobre ella a medida que recorre la arquitectura fantásticamente compleja de 86 mil millones de neuronas y sus 100 trillones de conexiones en el cerebro humano .

ese golpe o borrar se administra a través de la estimulación magnética transcraneal (TMS), que ha existido en forma moderna desde la década de 1980: se sostiene una varita contra la cabeza para disparar un impulso electromagnético al cerebro. Cuando se usa para apuntar a la corteza motora, la TMS puede provocar espasmos involuntarios de la mano; cuando se dirige a la corteza visual, puede inducir imágenes similares a relámpagos en el ojo de la mente.

Para generar una lectura PCI, Massimini usa TMS en la corteza cerebral. Luego usa EEG para medir lo que sucede. Es la calidad del post- borrar señal que conduce a una puntuación.

Marcello Massimini en su oficina de Milán.

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Lo que Massimini busca en este EEG perturbado es un tipo especial de complejidad organizada, pero no demasiado organizada. La mente consciente no produce ni las ondas perfectamente sincronizadas de una piedra arrojada a un estanque imaginario ni el ruido perfectamente codificado de la nieve entre canales de un televisor analógico. La plantilla de la conciencia se parece más a un caos intrincado: un patrón único entre un número casi infinito de posibilidades, con ondas cerebrales que parecen similares en algunas áreas y profundamente diferentes en otras.

En la pantalla del hospital, un PCI alto parece una serie de garabatos que comienzan de manera similar pero se diferencian entre sí a medida que se mueven por la geografía del cerebro. Un PCI bajo es aún más fácil de ver: o obtienes la misma onda larga y lenta en todas partes, o obtienes una onda en una parte del cerebro y silencio en el resto.

Durante años, Massimini y otros pudieron literalmente ver cómo se grababa la conciencia en la pantalla, pero no sabían cómo cuantificarla.

Tenían pistas sobre cómo proceder, ya que la búsqueda de PCI se construyó sobre la base de teoría de la información integrada (IIT), un controvertido modelo de conciencia propuesto por Giulio Tononi, profesor de psiquiatría en la Facultad de Medicina de la Universidad de Wisconsin (ver página 82). IIT afirma que un cerebro consciente tiene un alto nivel de integración (sus diversas partes se influyen entre sí) junto con un alto nivel de diferenciación (las partes producen diversas señales).

Massimini estaba tratando de encontrar un proxy para esta complejidad que realmente pudiera calcularse en el laboratorio, pero el objetivo era difícil de alcanzar.

El golpe de suerte, como él lo recuerda, provino de un físico brasileño aburrido llamado Adenauer Casali, cuya esposa trabajaba al final del pasillo. Massimini le ofreció a Casali espacio en su oficina, donde el físico pasaba el tiempo leyendo a Dante y otros grandes italianos. Un día los dos comenzaron a hablar y Massimini mencionó el problema.

Está en mi laboratorio, sentado en la silla, recuerda Massimini. Empezamos a hablar: ‘Estamos haciendo esto y aquello, y tenemos este problema, por cierto, ¿quizás puedas agregar algo?’ De hecho, la solución era obvia para Casali. Todo lo que Massimini necesitaba hacer era tomar las grabaciones de TMS-EEG y comprimir los datos usando el mismo algoritmo que usa una computadora para comprimir archivos al formato ZIP. Una señal de baja complejidad terminaría siendo pequeña porque contendría muy pocos datos únicos. Una señal de alta complejidad que indica una mente consciente sería grande. Casali fue acreditado como primer autor del artículo que presenta la cuantificación de PCI, y el procedimiento en sí sigue siendo conocido como zap-ZIP .

escépticos

Es difícil perseguir algo como PCI cuando los expertos aún no pueden ponerse de acuerdo sobre qué es y qué no es la conciencia. Tononi, que a veces suena como un místico, me explicó la naturaleza de la conciencia con un ejemplo de la vida cotidiana. Estás acostado en la cama y dormido, un sueño sin sueños, y luego te despiertas y de repente hay algo más que nada, me dijo. Ese algo es la conciencia: tener una experiencia.

Durante la mayor parte de la historia, detectar que algo no fue tan difícil. Si le hiciste una pregunta a alguien y obtuviste una respuesta razonable, esa persona probablemente estaba consciente.

Ese sigue siendo el estándar de oro, dice Massimini.

[Massimini ha] demostrado empíricamente que cuando las redes cerebrales se apagan por la anestesia, el sueño o una lesión cerebral, se tienen patrones de complejidad que son diferentes de los que se observan cuando alguien está despierto.

marrón esmeril

Pero el uso cada vez mayor de la ventilación mecánica en las décadas de 1950 y 1960 ayudó a crear por primera vez una población importante de personas con trastornos de la conciencia a largo plazo. Hoy en día hay quienes se pueden mantener con vida a pesar de que no tenemos ninguna evidencia de que alguien esté ahí . Y están aquellos, como el hombre canoso de Gnocchi, que muestran indicios potenciales de conciencia, como ojos que rastrean el movimiento, pero no tienen una forma conductual de comunicarse o probar su existencia interna. Más allá hay todo un espectro de estados difíciles de distinguir. de Tononi algo es una condición que todos podemos identificar de inmediato en nosotros mismos, pero que resulta difícil conocer en otras personas a menos que nos lo digan.

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Eso hace que cualquier medida de conciencia sea controvertida, y mucho menos una cuyo fundamento teórico sea IIT. Si bien algunos científicos han llamado a IIT la mejor teoría de la conciencia presentada hasta la fecha, no todos son fanáticos. Cuando le escribí a Michael Graziano, un neurocientífico de Princeton, sobre su opinión sobre IIT y PCI, su respuesta fue inequívoca.

IIT es pseudociencia, escribió.

Pero, continuó, incluso la frenología —la idea, ahora firmemente establecida como una tontería, de que la forma de la cabeza de las personas puede indicar su personalidad— ayudó a impulsar a la ciencia en el siglo XIX hacia la idea de que las diferentes partes del cerebro tenían funciones diferentes, y que la corteza cerebral merecía algo de atención. Ese cambio de perspectiva condujo a la mayoría de los principales descubrimientos en la ciencia del cerebro durante un siglo, reconoció, por lo que PCI aún podría valer algo.

Emery Brown, un neurocientífico y anestesiólogo que es el director del Programa Harvard-MIT en Ciencias y Tecnología de la Salud, se reserva el juicio, esperando que llegue más evidencia. Teme dejar que la teoría impulse el análisis. Sin embargo, Brown admira a Massimini por hacer experimentos, analizar datos cuidadosamente y publicar resultados para que cualquiera los vea.

Lo que me gusta de eso, cuando escucho a Marcello hablar de eso, es que está siendo un empirista total, me dijo Brown. Ha demostrado empíricamente que cuando las redes cerebrales se apagan por la anestesia, el sueño o una lesión cerebral, tienes patrones de complejidad que son diferentes de los que se ven cuando alguien está despierto.

Y ese empirismo presenta un caso convincente cuando los valores de PCI se calculan en seres humanos reales.

hermosa consistencia

El poder del enfoque de Massimini quizás esté mejor representado en una hermosa y consistente gráfico de años de probar la tecnología.

En el gráfico, los valores de PCI calculados a partir de personas que se sabe que estaban conscientes o no se registran como puntos separados por una línea discontinua en el umbral de 0,31. En todos los casos, las puntuaciones PCI máximas registradas en el sueño sin soñar, o bajo la influencia de uno de los tres fármacos anestésicos diferentes, están por debajo de la línea. Y para las mismas personas, cada uno de los puntajes máximos en vigilia, experimentando el sueño onírico REM, o bajo la influencia de la ketamina (que a dosis anestésicas induce un estado de ensueño) está por encima de la línea.

También lo son casi todas las puntuaciones máximas de los pacientes con síndrome de enclaustramiento y que han sufrido accidentes cerebrovasculares, que en el momento del estudio pudieron demostrar su conciencia comunicándose. En particular, 36 de los 38 pacientes en un estado de conciencia mínima mostraron una alta complejidad, lo que demuestra la sensibilidad sin precedentes de la PCI como marcador objetivo de la conciencia.

Grabaciones TMS-EEG en vivo del cerebro del sujeto de control durante el experimento.

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Pero nueve de los 43 pacientes considerados previamente como totalmente inconscientes también puntuaron por encima de la línea. Esto plantea preguntas difíciles. Sin otra forma de probar su conciencia y sin forma de comunicarse, esos pacientes representan el fracaso de PCI o su horrible promesa. Su zap-ZIP las respuestas fueron similares en calidad a las de las personas con conciencia mínima, así como a las personas conscientes cuando estaban despiertas, soñando o dosificadas con ketamina. Y, de hecho, medio año después de la prueba, seis de estos pacientes mejoraron hasta el punto de clasificarse como mínimamente conscientes. Alguien, al parecer, estaba allí después de todo.

En los últimos años, los investigadores del grupo de Massimini han tenido la oportunidad de estimular las neuronas y registrar la actividad cerebral a partir de electrodos insertados temporalmente en los cerebros de pacientes que se someten a cirugía por epilepsia. Estas mediciones revelaron una mecanismo interesante por el cual PCI puede colapsar después de una lesión cerebral , lo que lleva a la pérdida de la conciencia. Los circuitos neuronales que están físicamente a salvo de la lesión pueden entrar en un modo similar al del sueño, dejando a todo el cerebro incapaz de generar patrones complejos de interacciones.

Tal intrusión de actividad neuronal similar al sueño puede ser solo temporal en algunos pacientes, que eventualmente recuperarán la conciencia, pero puede persistir en otros que permanecen bloqueados en un estado de baja complejidad, correspondiente a un estado vegetativo prolongado, dice Massimini. Y eso, piensa, podría proporcionar una razón fundamental para desarrollar nuevos tratamientos para despertar los circuitos cerebrales y restaurar la conciencia.

PCI podría refinarse en forma de otras formas de perturbar el cerebro, como ultrasonido enfocado o luz láser dirigida. O la tecnología podría mejorarse a través de una mejor resolución espacio-temporal, o incluso escaneo automatizado y cálculos computacionales de dónde se maximiza la complejidad en un cerebro dañado.

Massimini tiene claro que en su forma actual, PCI no puede decir mucho sobre la calidad o el grado de conciencia, solo si está allí o no. Y él ve el umbral de 0,31 como una medida clínica de una condición borrosa: no es el caso de que en 0,30 no haya nada en absoluto y en 0,32 la conciencia aparezca en forma completa. Puede tener un puntaje de PCI alto, dice, y ni siquiera hace una diferencia si está soñando o despierto. Obviamente falta parte de la imagen.

rompiendo

Pero Angela Comanducci, una neurofisióloga clínica que pasó por el laboratorio de Massimini durante su formación y ahora supervisa el ala de 13 camas en Gnocchi que está dedicada a los trastornos de la conciencia, ya ha observado el poder clínico de PCI de primera mano. En junio de 2020, una mujer de 21 años fue llevada a la sala dos meses después de sufrir una lesión cerebral traumática por haber sido golpeada. Todas las pruebas de diagnóstico clínico, experimentales y establecidas, no mostraron signos de conciencia, me dijo Comanducci. La situación era tan grave que se había dicho a la familia de la paciente que esperara que ella permaneciera en un estado vegetativo irreversible.

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Pero cuando Comanducci y su personal conectaron a la mujer al voluminoso aparato TMS-EEG utilizado para medir su PCI, se sorprendieron por lo que vieron. En cuestión de segundos, pude ver en la pantalla que ella estaba allí, dijo Comanducci. El PCI que calcularon más tarde ese día fue alto, lo que refleja una respuesta EEG de alta complejidad a la estimulación TMS, y compatible con un estado de conciencia mínima.

Durante las próximas semanas, movieron manualmente los dedos, los brazos y las piernas de la paciente, tratando de reiniciar su cerebro de la misma manera que se podría iniciar un viejo avión haciendo girar su hélice. Le hablaban como si estuviera escuchando, tratando de provocar una respuesta, un suspiro, tal vez, o el más mínimo movimiento vertical de sus ojos. Y administraron un fármaco llamado amantadina, con la esperanza de despertar partes del cerebro que sospechaban que podrían no estar dañadas pero en un estado parecido a un sueño protector.

Le dije a mi personal de rehabilitación: 'Ahora deben ser detectives', recordó Comanducci. ¡Busca por todas partes y encuéntrala!

Aproximadamente un mes después, la encontraron.

Con un movimiento milimétrico de un solo dedo, la mujer abrió un frágil portal de comunicación con el mundo exterior. Con la práctica, aprendió a mover más dedos, forjando un sistema con el que podía responder preguntas sencillas.

Russ Juskalian es un escritor y fotógrafo independiente cuyo trabajo ha aparecido en Descubrir , Smithsonian , y el New York Times.