Scientists find ‘hidden brain signatures’ of consciousness in vegetative state patients –
Scientists in Cambridge have found hidden signatures in the brains of people in a vegetative state, which point to networks that could support consciousness even when a patient appears to be unconscious and unresponsive. The study could help doctors identify patients who are aware despite being unable to communicate.
Understanding how consciousness arises [in the brain] is an elusive but fascinating scientific question. But for patients diagnosed as vegetative and minimally conscious, and their families, this is far more than just an academic question – it takes on a very real significance
Srivas Chennu
There has been a great deal of interest recently in how much patients in a vegetative state following severe brain injury are aware of their surroundings. Although unable to move and respond, some of these patients are able to carry out tasks such as imagining playing a game of tennis. Using a functional magnetic resonance imaging (fMRI) scanner, which measures brain activity, researchers have previously been able to record activity in the pre-motor cortex, the part of the brain which deals with movement, in apparently unconscious patients asked to imagine playing tennis.
Now, a team of researchers led by scientists at the University of Cambridge and the MRC Cognition and Brain Sciences Unit, Cambridge, have used high-density electroencephalographs (EEG) and a branch of mathematics known as ‘graph theory’ to study networks of activity in the brains of 32 patients diagnosed as vegetative and minimally conscious and compare them to healthy adults. The findings of the research are published today in the journal PLOS Computational Biology. The study was funded mainly by the Wellcome Trust, the National Institute of Health Research Cambridge Biomedical Research Centre and the Medical Research Council (MRC).
The researchers showed that the rich and diversely connected networks that support awareness in the healthy brain are typically – but importantly, not always – impaired in patients in a vegetative state. Some vegetative patients had well-preserved brain networks that look similar to those of healthy adults – these patients were those who had shown signs of hidden awareness by following commands such as imagining playing tennis.
Dr Srivas Chennu from the Department of Clinical Neurosciences at the University of Cambridge says: “Understanding how consciousness arises from the interactions between networks of brain regions is an elusive but fascinating scientific question. But for patients diagnosed as vegetative and minimally conscious, and their families, this is far more than just an academic question – it takes on a very real significance. Our research could improve clinical assessment and help identify patients who might be covertly aware despite being uncommunicative.”
The findings could help researchers develop a relatively simple way of identifying which patients might be aware whilst in a vegetative state. Unlike the ‘tennis test’, which can be a difficult task for patients and requires expensive and often unavailable fMRI scanners, this new technique uses EEG and could therefore be administered at a patient’s bedside. However, the tennis test is stronger evidence that the patient is indeed conscious, to the extent that they can follow commands using their thoughts. The researchers believe that a combination of such tests could help improve accuracy in the prognosis for a patient.
Dr Tristan Bekinschtein from the MRC Cognition and Brain Sciences Unit and the Department of Psychology, University of Cambridge, adds: “Although there are limitations to how predictive our test would be used in isolation, combined with other tests it could help in the clinical assessment of patients. If a patient’s ‘awareness’ networks are intact, then we know that they are likely to be aware of what is going on around them. But unfortunately, they also suggest that vegetative patients with severely impaired networks at rest are unlikely to show any signs of consciousness.”
Listen to Srivas Chennu interviewed on the BBC Radio 4 Today Programme below:
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Lo stato vegetativo, la matematica e la mente nascosta
Una complessa analisi matematica dei tracciati EEG suggerisce che alcuni pazienti in stato vegetativo potrebbero essere in grado di rispondere a livello mentale alla richiesta di immaginare qualcosa, nonostante la completa impossibilità di reazioni comportamentali. La scoperta potrebbe migliorare le valutazioni cliniche e aiutare a identificare i pazienti potenzialmente in possesso di coscienza
E’ possibile individuare le tracce di una qualche forma di coscienza “nascosta” nell’elettroencefalogramma (EEG) di pazienti in stato vegetativo permanente?
Forse sì, almeno in qualche caso, secondo quanto riferisce su “PLoS Computational Biology” un gruppo di ricercatori dell’Università di Cambridge che hanno sottoposto a una sofisticata analisi matematica i tracciati elettroencefalografici ad alta densità (hgEEG) di 32 pazienti caduti in uno stato vegetativo o di minima coscienza, per confrontarli con quelli di un gruppo di soggetti in buona salute.
La ricerca potrebbe migliorare la valutazione clinica e aiutare a identificare i pazienti potenzialmente in possesso di coscienza o tracce di coscienza “nascosta”. Tuttavia, per cogliere correttamente il significato dello studio bisogna anzitutto ricordare che lo stato vegetativo e lo stato di minima coscienza non vanno confusi con il coma, da cui si distinguono per una serie di caratteristiche (per una specificazione delle differenze fra queste condizioni si veda qui).
I recenti progressi nella comprensione, sia pure molto parziale, dei correlati neurali della coscienza suggeriscono che essa richieda l’esistenza di un equilibrio dinamico nello scambio di informazioni fra reti di neuroni integrate fra loro e altre reti non integrate appartenenti a differenti regioni del cervello.
Nel nuovo studio Srivas Chennu, Tristan A. Bekinschtein e colleghi hanno analizzato i tracciati EEG ad alta densità (che prevedono 128 canali di registrazione dell’attività elettrica del cervello) per identificare la presenza di correlazioni nell’attività e nel tipo di ritmo delle onde cerebrali prodotto dai circuiti delle diverse aree del cervello. Per riuscire a estrarre questi schemi di attività, i ricercatori sono ricorsi alla tecniche della teoria matematica dei grafi.
L’analisi della connettività fra reti ha mostrato che nei pazienti con alterazione dello stato di coscienza – sia vegetativo sia di minima coscienza – la rete delle connessioni relativa alle onde alfa (tipiche di uno stato di veglia a riposo) era ridotta, spazialmente limitata e a corto raggio rispetto ai soggetti sani.
Gli schemi di correlazione per le onde delta (tipiche dell’addormentamento) e theta (sonno profondo) sono risultate invece altrettanto articolate – se non più – di quelle dei soggetti sani, anche se differenti, suggerendo che in questi pazienti “ci potrebbe essere un certo grado di riorganizzazione, piuttosto che di mera disorganizzazione, delle reti del cervello”.
La sorpresa è venuta però dall’analisi dei tracciati registrati quando è stato chiesto ai soggetti dello studio – sia sani sia in stato alterato di coscienza – di immaginare una partita di tennis. Per definizione, una persona in stato vegetativo permanente non dovrebbe rispondere ad alcun tipo di comando, mentre un paziente in stato di minima coscienza può anche rispondere, sia pure in modo minimale, a semplici richieste come quella di chiudere gli occhi. (La conferma che la risposta non sia casuale richiede prove ripetute).
I ricercatori hanno visto che in alcuni dei pazienti in stato vegetativo, subito dopo la richiesta di immaginare la partita gli schemi di connettività rilevati dall’analisi matematica sono risultati alterati in modo analogo a quello riscontrato nei soggetti sani. Ciò indica – scrivono gli autori – “che potrebbero esistere dei meccanismi di connessione fra reti in grado sostenere una funzione cognitiva di alto livello malgrado la compromissione comportamentale”.
I pazienti in stato di minima coscienza – che dovrebbero essere più reattivi – non hanno invece mostrato un’analoga risposta. Questo – osservano Chennu e colleghi – potrebbe essere spiegato dallo stato confusionale post-traumatico, caratteristico dei pazienti che stanno migliorando e uscendo dallo stato di minima coscienza.