Simultaneous metabolic–functional coupling topology in disorders of consciousness

Das Bewusstsein ist kein einzelner Schalter, der an einer Stelle im Gehirn lokalisiert ist, sondern vielmehr ein gewaltiges, koordiniertes Gespräch, das über Millionen von Zellen hinweg stattfindet. Damit das Gehirn dieses Gespräch aufrechterhalten kann, benötigt es zwei Dinge, die harmonisch zusammenarbeiten müssen: eine stetige Energiezufuhr, wie der Treibstoff für ein Auto, und ein synchronisiertes Muster elektrischer Aktivität, wie der Rhythmus eines Chors. Wenn eine Person eine schwere Hirnverletzung erleidet und in einen Zustand des anhaltenden Bewusstlosigkeit gleitet, haben Ärzte oft Schwierigkeiten zu unterscheiden, ob die Person lediglich schläft oder ob ein gewisses Maß an Bewusstsein vorhanden ist. Dieser Zustand, bekannt als Bewusstseinsstörung, umfasst Zustände, in denen ein Patient die Augen öffnen kann, aber kein Anzeichen von Verständnis zeigt (unresponsive Wachheitssyndrom), sowie Zustände, in denen er flüchtige Anzeichen von Bewusstsein zeigt (minimales Bewusstseinsniveau). Die Unterscheidung zwischen diesen Zuständen ist entscheidend für die Prognose und Pflege, doch aktuelle Werkzeuge verlassen sich oft auf die Beobachtung des Verhaltens, was unzuverlässig sein kann, wenn ein Patient sich nicht bewegen oder sprechen kann.

Um dieses Rätsel zu lösen, blickten Forscher des Beijing Tiantan Hospitals mit einer leistungsstarken Kombination aus zwei bildgebenden Technologien, die exakt gleichzeitig durchgeführt wurden, in die Gehirne von Patienten. Sie untersuchten neunundzwanzig Patienten, die sich seit mehr als einem Monat in diesen Zuständen der Bewusstlosigkeit befanden, zusammen mit einer kleinen Gruppe von Patienten, die wach und bei Bewusstsein waren, um als Referenz zu dienen. Durch das Scannen des Gehirns während dessen Ruhephase konnte das Team sehen, wie viel Glukose, der primäre Brennstoff des Gehirns, in verschiedenen Bereichen verbraucht wurde, und gleichzeitig messen, wie die Gehirnzellen im Einklang miteinander feuerten. Das Ziel war es zu sehen, ob die Beziehung zwischen dem Brennstoffverbrauch des Gehirns und seinem elektrischen Rhythmus verborgene Anzeichen von Bewusstsein offenbaren könnte, die Verhaltenstests übersehen würden.

Die Forscher betrachteten zunächst die Gehirnkarten einzeln und prüften, wo der Brennstoffverbrauch hoch oder niedrig und wo die elektrischen Rhythmen stark oder schwach waren. Sie fanden heraus, dass die Muster der Unterschiede zwischen den bewussteren Patienten und den weniger bewussten Patienten für jede Art von Messung verschieden waren. Die Bereiche, in denen sich der Brennstoffverbrauch unterschied, stimmten nicht perfekt mit den Bereichen überein, in denen die elektrischen Rhythmen differierten. Dies deut deutete darauf hin, dass die Energie und die Aktivität des Gebrins nicht in der gleichen Weise über das gesamte Organ hinweg versagten. Als das Team jedoch versuchte, die gesamte Stärke der Verbindung zwischen Brennstoffverbrauch und elektrischem Rhythmus über das gesamte Gehirn hinweg zu messen, fanden sie etwas Überraschendes heraus. Die gesamte Stärke dieser Verbindung war für beide Patientengruppen im Wesentlichen gleich. Mit anderen Worten: Wenn man das Gehirn als eine einzige, einheitliche Ganzheit betrachtete, ergab sich kein klarer Unterschied zwischen jenen, die ein minimales Bewusstsein zeigten, und jenen, die unresponsiv waren.

Die Geschichte änderte sich jedoch, als die Forscher näher heranrückten, um spezifische Nachbarschaften innerhalb des Gehirns zu betrachten. Sie suchten nach lokalen Stellen, an denen die Beziehung zwischen Brennstoff und Rhythmus in den beiden Gruppen möglicherweise anders verlief. Sie fanden mehrere Kandidatenbereiche, die hervorstachen, obwohl diese Befunde vorläufig waren und in größeren Studien weiter bestätigt werden müssen. In der Gruppe mit weniger Bewusstsein schien die Verbindung zwischen Brennstoff und Rhythmus im hinteren Teil des Gehirns verändert zu sein, insbesondere in Regionen, die mit der Vision und dem Zentrum des hinteren Gehirns verbunden sind, sowie im Kleinhirn, das die Bewegung koordiniert. Im Gegensatz dazu zeigten die Gruppen mit einigen Anzeichen von Bewusstsein unterschiedliche Verbindungsmuster in den vorderen und seitlichen Teilen des Gehirns, einschließlich Bereichen in der Nähe der Insula (einer tiefen Windung, die mit Emotionen und Selbstbewusstsein verbunden ist) und dem sensorimotorischen Kortex, der für Tastsinn und Bewegung zuständig ist.

Diese spezifischen Orte sind wichtig, da sie mit dem übereinstimmen, was Wissenschaftler bereits darüber wissen, wie das Bewusstsein funktioniert. Der hintere Teil des Gehirns wird oft mit dem Standardmodus des Denkens assoziiert, während die vorderen und seitlichen Bereiche mit der Aufmerksamkeit und der Verarbeitung der Außenwelt verknüpft sind. Die Tatsache, dass die Unterschiede in diesen spezifischen Zonen auftraten und nicht als allgemeiner Abfall der Gehirnaktivität, legt nahe, dass die Fähigkeit des Gehirns, das Bewusstsein aufrechtzuerhalten, davon abhängen könnte, wie gut Energie und Aktivität in diesen speziellen Netzwerken koordiniert sind. Die Studie fand keine einzelne, einfache Zahl, die einen Zustand eines Patienten sofort diagnostizieren könnte, noch bewies sie, dass diese spezifischen Gehirnmuster die definitive Ursache des Bewusstseins sind. Stattdessen lieferte sie eine detaillierte Karte der Orte, an denen die interne Wirtschaft und die elektrischen Signale des Gehirns aus dem Takt geraten könnten.

Letztlich verschiebt diese Forschung den Fokus von der Frage, wie viel Energie das Gehirn hat, hin zu der Frage, wie diese Energie im Verhältnis zur Gehirnaktivität genutzt wird. Die Ergebnisse legen nahe, dass der Unterschied zwischen einem Patienten mit minimalem Bewusstsein und einem ohne Bewusstsein in der lokalen, spezifischen Organisation dieser metabolischen und funktionellen Signale liegen kann und nicht in einem globalen, ganzheitlichen Gehirnmaß. Obwohl diese Ergebnisse noch nicht bereit sind, als Standardkliniktest eingesetzt zu werden, bieten sie eine neue Reihe von Hinweisen für die zukünftige Forschung. Indem sie diese spezifischen Regionen identifizieren, in denen Brennstoff und Rhythmus des Gehirns möglicherweise nicht aufeinander abgestimmt sind, können Wissenschaftler nun bessere Studien entwerfen, um zu sehen, ob die gezielte Ansprache dieser Bereiche helfen könnte, das Bewusstsein wiederherzustellen oder die Genauigkeit der Vorhersage der Genesung eines Patienten zu verbessern.