Simultaneous metabolic–functional coupling topology in disorders of consciousness

Bewustzijn is geen enkele schakelaar die zich in één deel van de hersenen bevindt, maar eerder een uitgestrekt, gecoördineerd gesprek dat plaatsvindt tussen miljoenen cellen. Om dit gesprek gaande te houden, heeft het brein twee dingen nodig die in harmonie moeten werken: een constante aanvoer van energie, zoals brandstof voor een auto, en een gesynchroniseerd patroon van elektrische activiteit, zoals het ritme van een koor. Wanneer iemand een ernstig hersenletsel oploopt en in een langdurige staat van bewusteloosheid raakt, worstelen artsen er vaak mee om te bepalen of de persoon slechts slaapt of dat er nog een bepaald niveau van bewustzijn aanwezig is. Deze conditie, bekend als een stoornis van het bewustzijn, omvat staten waarin een patiënt de ogen kan openen maar geen teken van begrip vertoont (unresponsive wakefulness syndrome) en staten waarin zij vluchtige tekenen van bewustzijn vertonen (minimally conscious state). Het onderscheid tussen deze staten is cruciaal voor de prognose en zorg, maar huidige instrumenten vertrouwen vaak op het observeren van gedrag, wat onbetrouwbaar kan zijn als een patiënt niet kan bewegen of spreken.

Om dit puzzelstuk op te lossen, keken onderzoekers van het Beijing Tiantan Hospital in de hersenen van patiënten met behulp van een krachtige combinatie van twee beeldvormingstechnologieën die op exact hetzelfde moment werden uitgevoerd. Ze bestudeerden eenentwintig patiënten die zich in deze bewusteloze staten bevonden voor meer dan een maand, samen met een kleine groep patiënten die wakker en bewust waren om als referentie te dienen. Door de hersenen te scannen terwijl ze in rust waren, kon het team zien hoeveel glucose, de primaire brandstof van de hersenen, werd verbruikt in verschillende gebieden, en tegelijkertijd meten hoe de hersencellen synchroon met elkaar vuurden. Het doel was om te zien of de relatie tussen het brandstofverbruik van de hersenen en hun elektrische ritme verborgen tekenen van bewustzijn kon onthullen die observationele tests zouden kunnen missen.

De onderzoekers keken eerst individueel naar de hersenkaarten, waarbij ze controleerden waar het brandstofverbruik hoog of laag was en waar de elektrische ritmes sterk of zwak waren. Ze ontdekten dat de patronen van verschil tussen de meer bewuste patiënten en de minder bewuste patiënten duidelijk verschillend waren voor elk type meting. De gebieden waar het brandstofverbruik verschilde, kwamen niet perfect overeen met de gebieden waar de elektrische ritmes verschilden. Dit suggereerde dat de energie en de activiteit van de hersenen niet op exact dezelfde manier door het hele orgaan heen faalden. Echter, toen het team probeerde de algehele sterkte van de verbinding tussen het brandstofverbruik en het elektrische ritme over de gehele hersenen te meten, stuitten ze op iets verrassends. De totale sterkte van deze link was in essentie hetzelfde voor beide groepen patiënten. Met andere woorden: het bekijken van de hersenen als een enkele, verenigde eenheid onthulde geen duidelijk verschil tussen degenen die minimaal bewust waren en degenen die niet reageerden.

Het verhaal veranderde echter toen de onderzoekers inzoomden om naar specifieke buurten binnen de hersenen te kijken. Ze zochten naar lokale plekken waar de relatie tussen brandstof en ritme mogelijk anders gedraagt in de twee groepen. Ze vonden verschillende kandidaat-gebieden die opvielen, hoewel deze bevindingen voorlopig zijn en verdere bevestiging vereisen in grotere studies. In de groep met minder bewustzijn leek de link tussen brandstof en ritme veranderd te zijn in de achterkant van de hersenen, specifiek in regio's die betrokken zijn bij visie en het centrum van de achterzijde van de hersenen, evenals in de cerebellum, die bewegingen coördineert. In tegenstelling hiertoe vertoonde de groep met enige tekenen van bewustzijn andere verbindingspatronen in de voorste en zijdelingse delen van de hersenen, inclusief gebieden nabij de insula (een diepe plooi betrokken bij emotie en zelfbewustzijn) en de sensorimotorische cortex, die tast en beweging verwerkt.

Deze specifieke locaties zijn belangrijk omdat ze aansluiten bij wat wetenschappers al weten over hoe het bewustzijn werkt. De achterkant van de hersenen wordt vaak geassocieerd met de standaardmodus van het denken van de hersenen (default mode), terwijl de voorste en zijdelingse gebieden gekoppeld zijn aan het geven van aandacht en het verwerken van de buitenwereld. Het feit dat de verschillen in deze specifieke zones verschenen, in plaats van als een algemene daling van de hersenactiviteit, suggereert dat het vermogen van de hersenen om bewustzijn te behouden mogelijk afhangt van hoe goed energie en activiteit in deze specifieke netwerken worden gecoördineerd. De studie vond geen enkel, eenvoudig getal dat onmiddellijk de staat van een patiënt kon diagnosticeren, noch bewees het dat deze specifieke hersenpatronen de definitieve oorzaak van bewustzijn zijn. In plaats daarvan bood het een gedetailleerde kaart van waar de interne economie en de elektrische signalen van de hersenen uit de pas kunnen lopen bij verschillende soorten bewusteloosheid.

Uiteindelijk verschuift dit onderzoek de focus van de vraag hoeveel energie de hersenen hebben naar de vraag hoe die energie wordt gebruikt in relatie tot de hersenactiviteit. De bevindingen suggereren dat het verschil tussen een patiënt die minimaal bewust is en een die dat niet is, kan liggen in de lokale, specifieke organisatie van deze metabole en functionele signalen, in plaats van in een globale, breinbrede maatstaf. Hoewel deze resultaten nog niet klaar zijn om als een standaard klinische test te worden gebruikt, bieden ze een nieuwe set aanwijzingen voor toekomstig onderzoek. Door deze specifieke regio's te identificeren waar de brandstof en het ritme van de hersenen mogelijk niet op één lijn liggen, kunnen wetenschappers nu betere studies ontwerpen om te zien of het gericht aanpakken van deze gebieden kan helpen bij het herstellen van bewustzijn of het verbeteren van de nauwkeurigheid van het voorspellen van een herstel.