La caccia ai segni nascosti della coscienza in pazienti irraggiungibili

Gli esperti potrebbero non essere d'accordo su cosa sia o non sia la coscienza. Ma ciò non ha impedito a Marcello Massimini di scrutare nelle menti di coloro che hanno profonde lesioni cerebrali per determinare se qualcuno è ancora dentro e come procedere con il trattamento.

Russ Juskalian

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25 agosto 2021

A prima vista, non c'è niente di straordinario nel banale ospedale di pochi piani sul lato ovest di Milano, affettuosamente noto come Gnocchi. Ma due piani più in alto, su un'ala isolata del Don Carlo Gnocchi IRCCS Centro S. Maria Nascente , un uomo poco comunicativo con una grave lesione cerebrale è collegato a una suite tecnologica che i ricercatori qui ritengono possa dire loro se è cosciente.

L'uomo siede su quella che assomiglia a una poltrona da dentista motorizzata, la testa piegata all'indietro, una maschera chirurgica blu che gli copre bocca e naso. Un cappuccio a rete bianca punteggiato da 60 elettrodi, ciascuno collegato a un cavo lungo due metri, è tenuto in posizione da una cinghia sotto il mento. In bilico sopra di lui, una matrice a infrarossi posizionata su un braccio articolato fa rimbalzare i segnali dai sensori attaccati alle tempie dell'uomo per produrre una sovrapposizione del suo cervello in movimento, costruita con la risonanza magnetica su un monitor vicino. Un ricercatore che osserva il monitor preme quindi un ovale di plastica bianca sul cranio dell'uomo e punta impulsi elettromagnetici su aree del suo cervello grandi come Tic Tac.

Questa storia faceva parte del nostro numero di settembre 2021

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Ogni impulso emette un clic udibile. Tre cavi pesanti, ciascuno grosso quanto un tubo da giardino, si avvolgono da dietro il dispositivo fino a una macchina da un quarto di milione di dollari che controlla l'uscita. Dall'altro lato della stanza, Marcello Massimini, un neuroscienziato con gli occhi azzurri e i capelli ricci, e Angela Comanducci, la neurologa del paziente, osservano su un laptop come complicati scarabocchi blu che rappresentano le onde cerebrali riempiono lo schermo quasi in tempo reale. Quello che gli scienziati vedono in loro è il più debole segno di una coscienza liminale, forse onirica.

Una persona sana funge da soggetto di prova per il misuratore di coscienza.

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In laboratorio, un computer assegnerà a quelle registrazioni di onde cerebrali un numero da 0 a 1, il cosiddetto indice di complessità perturbativa o PCI. Questo unico numero, secondo Massimini e colleghi, è una misura grezza di un tipo di complessità che rivela se una persona è cosciente. I ricercatori hanno persino calcolato un cutoff di 0,31, che, secondo uno studio del 2016 della tecnologia in soggetti sani e con lesioni cerebrali, discriminava tra condizioni inconsce e consce con una sensibilità del 100% e una specificità del 100%. In altre parole, funziona bene, davvero bene.

Più inquietante è che quando i ricercatori hanno calcolato il PCI da un gruppo di pazienti con sindrome della veglia non reattiva (UWS, una condizione precedentemente nota come stato vegetativo), hanno scoperto che circa uno su cinque aveva un valore PCI all'interno della distribuzione della coscienza. Anche se [tale] paziente è completamente insensibile, nessun segno di coscienza, mi ha detto Massimini, puoi dire con sicurezza che questo paziente è comunque cosciente.

Una tale svolta rappresenta il misuratore di coscienza più accurato mai visto in medicina (anche se è ancora grezzo, rudimentale e non raffinato). Le implicazioni mediche sono di ampia portata. Le stime suggeriscono che ci sono fino a 390.000 persone in tutto il mondo con prolungata disturbi della coscienza . Alcuni di loro, insensibili, possono essere trattati come se non ci fosse nessuno lì dentro, mentre vivono il mondo da svegli, soli e incapaci di uscire dalla loro prigione fisica finché vivono.

Massimini è fiducioso che il PCI possa aiutare a identificare quelle persone.

Nel luglio 2021, quando l'ho visitato a Milano, Massimini stava collaborando con altri ricercatori a Milano, Boston, Los Angeles e oltre. Nel frattempo, le misurazioni PCI vengono già utilizzate presso Gnocchi per aiutare a guidare la diagnosi e determinare il potenziale di recupero parziale.

La soluzione

Il PCI nasce dalla ricerca di superare quasi un secolo di ostacoli che si frappongono alla misurazione della coscienza. Dal 1924, quando Hans Berger ha inventato l'elettroencefalografia (EEG), gli scienziati hanno cercato di accedere alle risposte elettriche che il nostro cervello usa per comunicare, sperando di vedere, prevedere e misurare cosa sta succedendo dietro la protezione di 6,5 millimetri dei nostri crani. L'invenzione di Berger ha rilevato i cambiamenti nei picchi di tensione prodotti dai nostri neuroni, convertendo quei segnali negli scarabocchi simili a sismografi resi popolari come onde cerebrali.

I modelli EEG standard includono onde alfa veloci, oscillanti circa 10 volte al secondo e comuni nella coscienza, e onde delta lente, che oscillano circa una volta al secondo e comuni nel sonno senza sogni o in anestesia. Ma ascoltare passivamente il cervello con l'EEG è un modo imperfetto per determinare la coscienza, perché le eccezioni sono in agguato ovunque.

L'anestetico ketamina può eccitare il cervello, provocando onde alfa e delta alternate. Alcuni tipi di pazienti in coma mostrano oscillazioni rapide mentre sono incoscienti. E le persone sotto l'influenza della droga atropina o durante uno schema convulsivo chiamato stato epilettico riferiscono di essere coscienti mentre mostrano le onde cerebrali lente tipiche dell'incoscienza.

Un problema ancora più grande è che la stessa attività cerebrale di un paziente, il risultato di una ridotta capacità di attenzione, sonnolenza, movimenti volontari o involontari, distrazioni visive o persino mancanza di desiderio di seguire le istruzioni, può causare l'inclinazione e la reazione dell'EEG passivo in modi che rendere i suoi messaggi un pasticcio.

Il caso del PCI è che afferma di essere una misura oggettiva della coscienza, un sì o un no relativamente semplice. Ciò che lo differenzia dal normale EEG, secondo Massimini, è che mentre la vecchia tecnologia misura solo l'attività cerebrale in corso, il PCI misura la capacità del cervello di sostenere complesse interazioni interne. Puoi farlo, dice, se dai un colpo al cervello e poi segui come quella perturbazione filtra, riverbera e agisce mentre scorre attraverso l'architettura fantasticamente complessa di 86 miliardi di neuroni e i loro 100 trilioni di connessioni nel cervello umano .

Quel bussare o zappare viene erogato tramite la stimolazione magnetica transcranica (TMS), che esiste in forma moderna dagli anni '80: una bacchetta viene tenuta contro la testa per inviare un impulso elettromagnetico al cervello. Quando viene utilizzato per colpire la corteccia motoria, la TMS può provocare contrazioni involontarie della mano; quando prende di mira la corteccia visiva, può indurre immagini simili a fulmini nell'occhio della mente.

Per generare una lettura PCI, Massimini utilizza la TMS sulla corteccia cerebrale. Quindi usa l'EEG per misurare ciò che accade. È la qualità del post- zappare segnale che porta a un punteggio.

Marcello Massimini in his Milan office.

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Ciò che Massimini cerca in questo EEG perturbato è un tipo speciale di complessità organizzata, ma non troppo organizzata. La mente cosciente non produce né le increspature perfettamente sincronizzate di un sasso lanciato in uno stagno immaginario né il rumore perfettamente confuso della neve tra i canali di una TV analogica. Il modello della coscienza è più simile a un intricato caos, uno schema unico tra un numero quasi infinito di possibilità, con onde cerebrali che appaiono simili in alcune aree e profondamente diverse in altre.

Sullo schermo in ospedale, un PCI alto sembra una serie di scarabocchi che iniziano allo stesso modo ma si differenziano l'uno dall'altro mentre si muovono attraverso la geografia del cervello. Un PCI basso è ancora più facile da vedere: o ricevi la stessa onda lunga e lenta ovunque, o ricevi un'onda in una parte del cervello e il silenzio in qualsiasi altra parte.

Per anni, Massimini e altri hanno potuto letteralmente guardare la coscienza registrata sullo schermo, ma sono rimasti perplessi su come quantificarla.

Avevano indizi su come procedere, dal momento che la ricerca del PCI è stata costruita sulle fondamenta teoria dell'informazione integrata (IIT), un controverso modello di coscienza proposto da Giulio Tononi, professore di psichiatria presso la University of Wisconsin School of Medicine (vedi pagina 82). IIT afferma che un cervello cosciente ha un alto livello di integrazione (le sue varie parti si influenzano a vicenda) insieme a un alto livello di differenziazione (le parti producono segnali diversi).

Massimini stava cercando di trovare una proxy per questa complessità che potesse essere effettivamente calcolata in laboratorio, ma l'obiettivo era sfuggente.

Il colpo fortunato, come ricorda lui, venne da un fisico brasiliano annoiato di nome Adenauer Casali la cui moglie lavorava in fondo al corridoio. Massimini offrì a Casali spazio nel suo studio, dove il fisico trascorreva il tempo leggendo Dante e altri grandi italiani. Un giorno i due iniziarono a parlare, e Massimini accennò al problema.

È nel mio laboratorio, seduto sulla sedia, ricorda Massimini. Iniziamo a parlare: 'Stiamo facendo questo e quello, e abbiamo questo problema, tra l'altro, forse puoi aggiungere qualcosa?' In effetti, la soluzione era ovvia per Casali. Tutto ciò che Massimini doveva fare era prendere le registrazioni TMS-EEG e comprimere i dati usando lo stesso algoritmo usato da un computer per comprimere i file nel formato ZIP. Un segnale a bassa complessità finirebbe per essere minuscolo perché conterrebbe così pochi dati univoci. Un segnale ad alta complessità che indica una mente cosciente sarebbe grande. Casali è stato accreditato come primo autore dell'articolo che introduce la quantificazione del PCI, e la procedura stessa rimane nota come zap-ZIP .

Dubbi

È difficile perseguire qualcosa come il PCI quando gli esperti non sono ancora d'accordo su cosa sia e cosa non sia la coscienza. Tononi, che a volte suona come un mistico, mi ha spiegato la natura della coscienza con un esempio della vita di tutti i giorni. Sei sdraiato a letto e dormi, un sonno senza sogni, e poi ti svegli e all'improvviso c'è qualcosa piuttosto che niente, mi disse. Quel qualcosa è coscienza: avere un'esperienza.

Per la maggior parte della storia, rilevandolo qualcosa non è stato poi così difficile. Se hai posto una domanda a qualcuno e hai ottenuto una risposta ragionevole, quella persona probabilmente era cosciente.

Questo è ancora il gold standard, dice Massimini.

[Massimini ha] dimostrato empiricamente che quando le reti cerebrali vengono interrotte dall'anestesia o dal sonno o da lesioni cerebrali, si hanno schemi di complessità diversi da quelli visti quando qualcuno è sveglio.

Marrone smeriglio

Ma il crescente uso della ventilazione meccanica negli anni '50 e '60 ha contribuito a creare per la prima volta una popolazione significativa di persone con disturbi della coscienza a lungo termine. Oggi ci sono quelli che possono essere tenuti in vita anche se non abbiamo prove che qualcuno lo sia lì dentro . E ci sono quelli come l'uomo dai capelli grigi di Gnocchi che mostrano potenziali accenni di coscienza, come occhi che seguono il movimento, ma non hanno alcun modo comportamentale per comunicare o per dimostrare la propria esistenza interna. Al di là c'è un intero spettro di stati difficili da distinguere. quello di Tononi qualcosa è una condizione che tutti possiamo identificare immediatamente in noi stessi ma che troviamo difficile da conoscere nelle altre persone a meno che non ce lo dicano.

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Ciò rende controversa qualsiasi misura di coscienza, per non parlare di quella il cui fondamento teorico è l'IIT. Mentre alcuni scienziati hanno definito l'IIT la migliore teoria della coscienza avanzata fino ad oggi, non tutti ne sono fan. Quando ho scritto a Michael Graziano, neuroscienziato di Princeton, della sua opinione su IIT e PCI, la sua risposta è stata inequivocabile.

IIT è pseudoscienza, ha scritto.

Ma, ha proseguito, anche la frenologia - l'idea, ormai saldamente affermata come una sciocchezza, che la forma della testa delle persone può parlarti della loro personalità - ha contribuito a spingere la scienza nel 1800 verso l'idea che diverse parti del cervello avessero funzioni diverse e che la corteccia cerebrale meritasse una certa attenzione. Quel cambiamento di prospettiva ha portato alla maggior parte delle principali scoperte nella scienza del cervello per un secolo, ha riconosciuto, quindi il PCI potrebbe ancora valere qualcosa.

Emery Brown, neuroscienziato e anestesista che è il direttore del programma Harvard-MIT in Scienze e tecnologie della salute, si riserva il giudizio, in attesa che entrino ulteriori prove. È cauto nel lasciare che la teoria guidi l'analisi. Eppure Brown ammira Massimini per fare esperimenti, analizzare attentamente i dati e pubblicare risultati che chiunque può vedere.

Quello che mi piace, quando sento Marcello parlarne, è che è un empirista totale, mi ha detto Brown. Ha dimostrato empiricamente che quando le reti cerebrali vengono interrotte dall'anestesia o dal sonno o da lesioni cerebrali, si hanno schemi di complessità diversi da quelli visti quando qualcuno è sveglio.

E questo empirismo costituisce un caso convincente quando i valori PCI sono calcolati in esseri umani reali.

Bella consistenza

La forza dell'approccio di Massimini è forse rappresentata al meglio in una bella coerenza grafico da anni di test della tecnologia.

Sul grafico, i valori PCI calcolati da persone note per essere state coscienti o meno sono registrati come punti separati da una linea tratteggiata alla soglia di 0,31. In ogni singolo caso, i punteggi PCI massimi registrati nel sonno senza sogni, o sotto l'influenza di uno dei tre diversi farmaci anestetici, sono al di sotto della linea. E per le stesse persone, ognuno dei punteggi massimi da svegli, vivendo il sonno onirico di REM, o sotto l'influenza della ketamina (che a dosi anestetiche induce uno stato onirico) è al di sopra della soglia.

Così sono quasi tutti i punteggi massimi per i pazienti con sindrome del lock-in e che hanno avuto ictus, che al momento dello studio sono stati in grado di dimostrare la loro coscienza comunicando. In particolare, 36 pazienti su 38 in uno stato di minima coscienza hanno mostrato un'elevata complessità, dimostrando la sensibilità senza precedenti del PCI come indicatore oggettivo di coscienza.

Registrazioni TMS-EEG dal vivo del cervello del soggetto di controllo durante l'esperimento.

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Ma anche nove dei 43 pazienti precedentemente considerati totalmente privi di coscienza hanno ottenuto punteggi sopra la linea. Ciò solleva domande difficili. Non avendo altro modo per dimostrare la loro coscienza e nessun modo per comunicare, quei pazienti rappresentano il fallimento del PCI o la sua orribile promessa. I loro zap-ZIP le risposte erano di qualità simile a quelle delle persone con una coscienza minima, così come le persone coscienti quando sono svegli, sognano o ricevono una dose di ketamina. E infatti, sei di questi pazienti, sei di questi pazienti sono migliorati al punto da essere classificati come minimamente coscienti, sei mesi dopo il test. Qualcuno, a quanto pare, era lì dentro, dopotutto.

Negli ultimi anni, i ricercatori del gruppo di Massimini hanno avuto l'opportunità di stimolare i neuroni e registrare l'attività cerebrale da elettrodi inseriti temporaneamente nel cervello di pazienti sottoposti a intervento chirurgico per epilessia. Queste misurazioni hanno rivelato un meccanismo interessante mediante il quale il PCI può collassare dopo una lesione cerebrale , portando alla perdita di coscienza. I circuiti neuronali che sono fisicamente risparmiati dalla lesione possono entrare in una modalità simile al sonno, lasciando l'intero cervello incapace di generare schemi complessi di interazioni.

Tale intrusione dell'attività neuronale simile al sonno può essere solo temporanea in alcuni pazienti, che alla fine riprenderanno conoscenza, ma può persistere in altri che rimangono bloccati in uno stato di bassa complessità, corrispondente a uno stato vegetativo prolungato, afferma Massimini. E questo, pensa, potrebbe fornire una motivazione per lo sviluppo di nuovi trattamenti per risvegliare i circuiti cerebrali e ripristinare la coscienza.

Il PCI potrebbe essere perfezionato sotto forma di altri modi per perturbare il cervello, come ultrasuoni focalizzati o luce laser mirata. Oppure la tecnologia potrebbe essere migliorata attraverso una migliore risoluzione spazio-temporale, o anche scansioni automatizzate e calcoli computazionali di dove la complessità è massimizzata in un cervello danneggiato.

Massimini è chiaro che nella sua forma attuale, il PCI non può dire molto sulla qualità o sul grado di coscienza, solo se c'è o meno. E vede la soglia di 0,31 come una misura clinica di una condizione sfocata: non è il caso che a 0,30 non ci sia nulla e a 0,32 la coscienza appare in piena forma. Puoi avere un punteggio PCI alto, dice, e non fa nemmeno differenza se stai sognando o sei sveglio. Ovviamente manca una parte dell'immagine.

Sfondare

Ma Angela Comanducci, neurofisiologa clinica che ha attraversato il laboratorio di Massimini durante la sua formazione e che ora supervisiona l'ala da 13 posti letto della Gnocchi dedicata ai disturbi della coscienza, ha già osservato in prima persona il potere clinico del PCI. Nel giugno 2020, una donna di 21 anni è stata portata in reparto due mesi dopo aver subito una lesione cerebrale traumatica per essere stata picchiata. Ogni esame clinico diagnostico, sperimentale e accertato, non dava segni di coscienza, mi disse Comanducci. La situazione era così grave che alla famiglia della paziente era stato detto di aspettarsi che sarebbe rimasta in uno stato vegetativo irreversibile.

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Ma quando Comanducci e il suo staff hanno collegato la donna all'ingombrante apparato TMS-EEG utilizzato per misurare il suo PCI, sono rimasti sorpresi da ciò che hanno visto. In pochi secondi, ho potuto vedere sullo schermo che era lì, ha detto Comanducci. Il PCI che hanno calcolato più tardi quel giorno era alto, riflettendo la risposta EEG ad alta complessità alla stimolazione TMS e compatibile con uno stato di minima coscienza.

Nelle settimane successive hanno spostato manualmente le dita, le braccia e le gambe della paziente, cercando di riavviare il suo cervello come si potrebbe avviare un vecchio aeroplano facendo girare l'elica. Le parlavano come se stesse ascoltando, cercando di innescare una risposta, un sospiro, forse, o il più piccolo movimento verticale dei suoi occhi. E hanno somministrato un farmaco chiamato amantadina, sperando di risvegliare parti del cervello che sospettavano potessero essere integre ma in uno stato simile a un sonno protettivo.

Ho detto al mio personale di riabilitazione: 'Ora dovete essere dei detective', ha ricordato Comanducci. 'Cerca ovunque e trovala!'

Circa un mese dopo, l'hanno trovata.

Con un movimento di un millimetro di un solo dito, la donna aprì un fragile portale di comunicazione con il mondo esterno. Con la pratica, ha imparato a muovere più dita, ritagliandosi un sistema con cui poteva rispondere a semplici domande.

Russ Juskalian è una scrittrice e fotografa freelance il cui lavoro è apparso in Scoprire , Smithsoniano , e il New York Times.