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Il mistero dietro l'anestesia
Mappare il modo in cui i nostri circuiti neurali cambiano sotto l'influenza dell'anestesia potrebbe far luce su uno degli enigmi più sconcertanti delle neuroscienze: la coscienza. 20 dicembre 2011
Uno schermo video mostra un uomo sulla sessantina che giace sveglio su un tavolo operatorio. Appena fuori dalla visuale della telecamera, un dottore sta muovendo il dito davanti al viso dell'uomo, ordinandogli di seguirlo avanti e indietro con gli occhi. Pochi secondi dopo, dopo una dose del potente farmaco anestetico propofol, le sue palpebre iniziano a chiudersi. Poi le sue pupille smettono di muoversi. Solo il segnale acustico di sottofondo costante del monitor cardiaco serve a ricordare che l'uomo non è morto. È in coma, spiega il dottore, Emery Brown. L'anestesia generale è un coma reversibile indotto da farmaci.
Come anestesista al Massachusetts General Hospital (MGH), Brown è testimone costante di una delle imprese più profonde e misteriose della medicina moderna. Ogni giorno, quasi 60.000 pazienti negli Stati Uniti vengono sottoposti ad anestesia generale, che consente loro di sopravvivere anche alle operazioni più macabre inconsapevoli e senza dolore.
Questa storia faceva parte del nostro numero di gennaio 2012
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Ma sebbene i medici mettano sotto osservazione le persone da più di 150 anni, ciò che accade nel cervello durante l'anestesia generale è un mistero. Gli scienziati non sanno molto sulla misura in cui questi farmaci attingono agli stessi circuiti cerebrali che usiamo quando dormiamo, o come essere anestetizzati differisca da altri modi di perdere conoscenza, come entrare in coma a seguito di un infortunio. Le parti del cervello si stanno davvero spegnendo o semplicemente smettono di comunicare tra loro? In che modo essere anestetizzati è diverso da uno stato di ipnosi o meditazione profonda? E cosa succede nel cervello nel passaggio tra coscienza e incoscienza? Sappiamo che possiamo farti entrare e uscire da questo in sicurezza, dice Brown, ma non possiamo ancora dirti come funziona.
Brown, che è anche neuroscienziato e professore al MIT, mira a trasformare l'anestesia da strumento esclusivamente clinico in un potente strumento per studiare le domande più basilari sul cervello. Comprendere cosa succede al cervello sotto i farmaci anestetici, crede, aiuterà a rendere l'anestesia più sicura ed efficace, con meno effetti collaterali. Potrebbe anche portare a nuovi trattamenti per il coma e altre condizioni cerebrali e ad approfondimenti su questioni fondamentali nelle neuroscienze, inclusa la natura della coscienza stessa. L'anestesiologia è una forma di neuroscienza, afferma George Mashour, anestesista e neuroscienziato dell'Università del Michigan. E quello che facciamo ogni giorno è modulare virtualmente ogni aspetto del sistema nervoso.
DALLE CHIACCHIERE AL CANTO
La neuroscienza ha spesso beneficiato di esperimenti naturali: pazienti che perdono la capacità di ricordare, produrre linguaggio o regolare le proprie emozioni dopo che parti del loro cervello sono state danneggiate o devono essere rimosse chirurgicamente. Gli anestesisti presiedono ogni giorno a un esperimento analogo: vedono scomparire elementi della coscienza. In anestesia generale, ad esempio, i pazienti perdono la percezione del dolore, la consapevolezza, la memoria e la capacità di muoversi. Un anestesista può influenzare ciascuno di questi cambiamenti in modi diversi variando i dosaggi e i tipi di farmaci utilizzati.
Togliendo diverse funzioni che associamo alla coscienza, dice Brown, potremmo essere in grado di iniziare a mettere insieme parti del puzzle. I neuroscienziati potrebbero iniziare a fare per la coscienza ciò che hanno fatto con la memoria e il linguaggio.
Brown fa parte di un piccolo ma crescente gruppo di ricercatori anestesiologi che utilizzano l'elettroencefalogramma (EEG), uno strumento per monitorare l'attività elettrica del cervello, per sondare sistematicamente ogni aspetto dell'anestesia nell'uomo e negli animali. I monitor cerebrali basati su EEG sono già una vista comune nelle sale operatorie; alcuni anestesisti monitorano l'attività cerebrale dei loro pazienti con monitor disponibili in commercio che utilizzano algoritmi per trasformare i segnali EEG in indici grezzi. (Altri tracciano solo segni fisici come la frequenza cardiaca e i livelli di ossigeno nel sangue.) Ma pochi di loro, dice, passano il tempo a guardare i dati EEG grezzi.
Brown, tuttavia, ha una prospettiva diversa dalla maggior parte degli anestesisti; è anche uno statistico. Dopo aver ricevuto sia un MD che un PhD ad Harvard alla fine degli anni '80, ha perseguito i due percorsi separatamente, lavorando nelle sale operatorie di MGH mentre dirigeva un laboratorio di ricerca focalizzato sullo sviluppo di algoritmi di elaborazione del segnale per estrarre informazioni da dati biologici.
Brown non ha apprezzato gli esperimenti di neuroscienza che si svolgono davanti a lui ogni giorno durante l'intervento chirurgico fino a quando uno dei suoi colleghi non ha suggerito di fare uno studio su pazienti anestetizzati. Osservando il processo che si svolge, inizi a capire che le parti del cervello non si spengono tutte allo stesso tempo, dice. C'è una gerarchia, c'è una gradazione.
Lo stesso vale quando i farmaci svaniscono. In genere, le funzioni cerebrali più elementari ritornano per prime: la respirazione ritorna e poi, quando le aree del tronco cerebrale che controllano la salivazione e i dotti lacrimali si rianimano, la bocca dei pazienti si riempie di saliva e gli occhi lacrimano. Deglutiscono e tossiscono quando le aree che controllano la sensazione alla gola diventano attive. Alla fine i loro occhi si muovono, e poi rispondono al mondo esterno. Più tardi lo stordimento si alzerà e le complesse funzioni cerebrali riprenderanno. Quando presti attenzione e guardi quelle transizioni, è semplicemente fantastico, dice Brown. Saremmo davvero negligenti se non andassimo avanti e non provassimo a capire quali sono questi stati, cosa sta realmente accadendo nel cervello, e poi pensare a nuovi modi per migliorare il processo di anestesia.
Una delle cose che ha colpito Brown guardando gli EEG dei suoi pazienti è la velocità e la completezza con cui farmaci come il propofol possono alterare l'attività cerebrale. Quando i pazienti entrano in uno stato anestetizzato, il normale schema di onde a bassa intensità ma ad alta frequenza si sposta su uno di impulsi meno frequenti ma più intensi, come se il costante chiacchiericcio del cervello avesse lasciato il posto a un canto. La posizione dell'attività si sposta dalla parte posteriore del cervello alla parte anteriore. Sebbene sia possibile portare i pazienti in uno stato di incoscienza così profondo che il loro EEG è sostanzialmente piatto, nella maggior parte dei casi scoppi di attività EEG si alternano a periodi di relativa inattività che possono durare minuti. I processi cerebrali sembrano altamente organizzati, dice. Ci sono schemi molto regolari nel tempo e schemi molto regolari nello spazio.
Tracciare l'inconscio: Questo spettrogramma mostra le registrazioni EEG di un paziente sottoposto ad anestesia generale. Due dosi dell'anestetico propofol per via endovenosa portano a esplosioni di attività (minuto sette). Quindi viene aggiunto un anestetico inalato, l'isoflurano, e al minuto 14 inizia uno schema caratteristico di oscillazioni a onde lente e alfa. L'intervento termina al minuto 16 e l'isoflurano viene spento. L'EEG si sposta gradualmente ad alta frequenza, oscillazioni meno intense.
Brown afferma che alcuni farmaci ridurranno la frequenza delle onde cerebrali osservate nelle letture EEG, risultando in onde oscillanti lente e regolari in ampie aree del cervello. Altri farmaci fanno sì che alcune aree mostrino oscillazioni veloci e regolari. Poiché gli anestesisti di solito somministrano un cocktail di farmaci a ciascun paziente, questi effetti possono verificarsi contemporaneamente. Il risultato, dice Brown, è come un segnale inceppato: in ogni caso, [le diverse parti del cervello] non possono comunicare.
Negli ultimi anni, altri studi EEG hanno sostenuto l'idea che l'anestesia non semplicemente spegne il cervello ma, piuttosto, interferisce con la sua comunicazione interna. La ricerca di Mashour, ad esempio, ha dimostrato che il feedback tra la parte anteriore e posteriore del cervello viene interrotto durante l'anestesia generale, portando a una disconnessione tra le diverse reti cerebrali. Si pensa che quel feedback sia importante per la coscienza.
Allo stesso modo, Anthony Hudetz, un anestesista presso il Medical College of Wisconsin a Milwaukee, afferma che l'anestesia non spegne semplicemente i sensi. Hudetz somministra l'anestesia a volontari umani a livelli inferiori a quelli clinici per osservare i loro cervelli mentre scivolano nell'incoscienza. Quello che troviamo è che il cervello anestetizzato è ancora molto reattivo agli stimoli, dice; sia l'EEG che la risonanza magnetica funzionale (fMRI), un metodo indiretto per misurare l'attività cerebrale, mostrano la risposta alla luce e ai suoni. Ma in qualche modo quell'informazione sensoriale non viene mai elaborata e integrata nel tipo di attività necessaria per la consapevolezza cosciente.
Una migliore comprensione di questi cambiamenti potrebbe indicare una strada verso nuovi trattamenti per le lesioni cerebrali e altri disturbi. I modelli di oscillazioni altamente strutturate nei pazienti trattati con farmaci anestetici sono simili agli stati osservati nelle persone che perdono conoscenza durante le crisi epilettiche o che sono in coma profondo. E la semicoscienza che risulta da basse dosi di farmaci assomiglia alla normale veglia o alle prime fasi dell'addormentarsi. Ma capire esattamente come e perché questi schemi sono correlati richiederà un esame più attento.
MAPPATURA DELLA RIPARTIZIONE DELLA COMUNICAZIONE
Per capire veramente se la comunicazione tra le diverse aree del cervello si è interrotta, gli scienziati hanno bisogno di un modo per mappare l'attività di queste regioni e le interazioni tra di esse con maggiore dettaglio spaziale. Per questo, si stanno rivolgendo alla fMRI, che misura i cambiamenti nel flusso sanguigno associati all'attività neurale (vedi Raising Consciousness, gennaio/febbraio 2007) .
Lavorando con il bioingegnere Patrick Purdon e altri colleghi dell'MGH, Brown ha sviluppato un modo per eseguire simultaneamente registrazioni EEG ed eseguire scansioni fMRI sui pazienti mentre entrano in uno stato di profonda anestesia. L'imaging cerebrale nei soggetti umani sottoposti ad anestesia è complicato perché richiede l'anestesia delle persone all'interno di uno scanner e al di fuori di una normale sala operatoria. Brown e i suoi colleghi hanno trovato un modo per risolvere i problemi tecnici e di sicurezza: hanno reclutato volontari che avevano già ricevuto tracheostomie, o buchi chirurgici alla gola. Ciò significava che un tubo poteva essere facilmente utilizzato per ripristinare la respirazione in caso di emergenza. Nel 2009, i ricercatori hanno dimostrato di poter registrare in sicurezza sia i dati EEG che fMRI su persone sotto anestesia; ora stanno lavorando per correlare i dati di imaging e EEG con i cambiamenti osservabili osservati quando i pazienti entrano in uno stato anestetizzato.
Brown sta anche lavorando con Purdon per studiare i pazienti con epilessia a cui sono stati impiantati elettrodi nel cervello per diversi giorni in modo che i medici possano registrare e localizzare le crisi. Quando i pazienti vengono sottoposti a intervento chirurgico per rimuovere le aree cerebrali identificate come siti di crisi, gli elettrodi registrano le onde cerebrali mentre viene somministrata l'anestesia. Questi elettrodi raccolgono dati su una parte molto più piccola del cervello rispetto all'EEG o alla fMRI, ma la risoluzione è molto più alta, consentendo agli scienziati di avere un'idea di ciò che accade nel cervello a livello cellulare mentre il paziente viene anestetizzato. Gli studi di follow-up sugli animali potrebbero fornire dettagli ancora maggiori consentendo ai ricercatori di impiantare elettrodi in modo più esteso e in posizioni precise. I ricercatori saranno in grado di documentare, dall'interno del cervello stesso, come l'attività cambia quando il cervello entra ed esce dalla coscienza.
METTERE INSIEME LA COSCIENZA
Se puoi catalogare sistematicamente come il cervello perde conoscenza sotto l'influenza di farmaci anestetici, puoi dedurre in cosa consiste la coscienza?
Brown è pronto a sottolineare che non studia esplicitamente la coscienza; è un problema disordinato e molti neuroscienziati evitano la stessa parola. Il suo approccio consiste nello studiare quelli che chiama stati alterati di eccitazione. Questi includono anestesia, sonno, coma, ipnosi e meditazione, nonché aspetti di disturbi come la schizofrenia, l'epilessia e il morbo di Parkinson. Crede che capire come funziona il cervello quando devia dal suo normale stato di coscienza farà inevitabilmente luce su cosa sia la coscienza.
Gli studi sull'anestesia hanno già messo in dubbio una teoria popolare, che collega la coscienza a un particolare tipo di onde cerebrali con una frequenza intorno ai 40 hertz. Mashour sottolinea che la ricerca sull'anestesia mostra che queste onde possono esistere anche quando i pazienti sono incoscienti. Ma i modelli che vedono gli anestesisti supportano un'altra teoria: che la coscienza emerge dall'integrazione delle informazioni attraverso grandi reti nel cervello. Hudetz dice che mentre diversi farmaci hanno diverse strutture chimiche ed effetti diversi, come il blocco della memoria o la sedazione del cervello, se diamo uno di questi farmaci a una dose sufficientemente alta, a un certo punto eliminano la coscienza. Come otteniamo questo punto finale comune da una tale varietà di farmaci che lavorano attraverso diversi meccanismi molecolari? Una spiegazione è che poiché la coscienza nasce dalla complessa interazione di molti tipi di attività, può essere interrotta in molti modi diversi.
Brown spera che le intuizioni raccolte da questo lavoro possano riversarsi in altre aree. Sapere di più su come funziona il cervello sotto anestesia potrebbe aiutare i ricercatori a rilevare l'attività cerebrale nelle persone in stato vegetativo, rivelando che possono percepire più di quanto si pensasse in precedenza. Gli anestetici più sicuri che potrebbero emergere dalla ricerca potrebbero essere utili nella medicina del sonno e i modi per far rivivere la funzione cognitiva nei pazienti anestetizzati potrebbero dare origine a strategie per aiutare le persone a uscire dal coma. La ketamina, un anestetico comunemente usato, ha mostrato alcune promesse come trattamento per la depressione; anche altri farmaci anestetici potrebbero dimostrare di avere effetti che si prestano a curare malattie psichiatriche. Studiare la perdita di coscienza in anestesia non solo illuminerà la natura della mente cosciente, ma porterà questi stati di coscienza smorzata o alterata fuori dall'ombra.
Courtney Humphries è una scrittrice scientifica e autrice di Superdove: come il piccione ha preso Manhattan... e il mondo .