Was passiert im Gehirn während der Bewusstlosigkeit

Neue Forschung untersucht den Zusammenbruch der Kommunikation zwischen Hirnregionen.

Unter Anästhesie wird die Kommunikation zwischen den Gehirnregionen stärker lokalisiert.

Quelle: iStock / torwai

Die erste öffentliche Demonstration einer Operation unter Betäubung erfolgte 1846. Bereits 1847 wurde über das, was im Gehirn passieren könnte, während eine Person bewusstlos war, theoretisiert. Mehr als 170 Jahre später fragen wir uns immer noch. Mysterien bleiben über alle Formen der Bewusstlosigkeit – Schlaf, Sedierung, tiefe Anästhesie und Komas. Aber drei kürzlich erschienene Artikel eines Forscherteams von Michigan Medicine haben ein wenig zu dem beigetragen, was wir darüber wissen, wie unser Gehirn reagiert, wenn wir in die Bewusstlosigkeit versinken.

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“Es ist nicht so, als würde ein Lichtschalter ausgehen, es ist eher ein Prozess der Trennung”, sagt der Anästhesist George Mashour, ein Autor in allen drei Zeitungen. “Die Art und Weise, wie Informationen verarbeitet werden, ist der Schlüssel.” Mit anderen Worten, das Gehirn schaltet sich nicht unter Betäubung aus (obwohl dies bei sehr hohen Dosierungen von Medikamenten möglich ist). Stattdessen wird die Art und Weise, wie Neuronen miteinander kommunizieren und Signale senden, zunehmend lokalisiert, wodurch isolierte Aktivitätsinseln entstehen. In diesem Zustand gibt es viel weniger Konnektivität im gesamten Gehirn. Laut Mashour und seinem Team, zu dem der Neurophysiologe Anthony Hudetz und der Physiker UnCheol Lee gehören, sind die Gespräche alle lokal, nicht weit entfernt.

Als Direktor des Center for Consciousness Science an der University of Michigan Medical School ist Mashour Teil einer reichen Tradition von Anästhesisten, die das Bewusstsein erforschen – kein überraschendes Interesse, da diese Ärzte ihre Tage damit verbringen, Menschen unterzuziehen und sie wieder herauszuziehen. Wenn er über Bewusstsein spricht, bedeutet Mashour nicht freien Willen oder Selbstbewusstsein: “Wir sprechen in erster Linie von Erfahrungen, und der allgemeine Gedanke, dass die Integration oder Synthese von Informationen für bewusstes Erleben entscheidend ist.”

Im Jahr 2004 veröffentlichte er als Resident in Harvard eine Theorie, die den Grundstein für die Arbeit legte, die er heute macht: “Ich stellte mir die Frage, warum Anästhetika funktionieren?” Zu dieser Zeit war es auch die Rolle der Integration von Information bekannt als kognitive Bindung, war eine große Frage in den Neurowissenschaften. Die Menschen wollten wissen, wie verschiedene Bereiche des Gehirns Informationen verarbeiten, wenn sie aus verschiedenen sensorischen Bereichen wie Sehen und Hören kommen. “Wie bekommt das Gehirn all diese Informationen zusammen, so dass wir eine so nahtlose, einheitliche Erfahrung haben?”, Fragt Mashour. “Was ich postulierte, ist, dass Anästhetika vielleicht nicht nur funktionieren, indem man alles abschließt, sondern diese Integrationsprozesse hemmt. Vielleicht ist die Anästhesie eine Art kognitiver Entbindung. ”

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Mashour war nicht der Einzige, der so dachte. Insbesondere der Neurowissenschaftler Giulio Tononi von der University of Wisconsin, Experte für Schlaf und Bewusstsein, veröffentlichte im selben Jahr eine wichtige Theorie, die sich auf die Integration von Informationen im Gehirn bezieht. Mashour, der sein akademisches Leben mit dem Studium der Philosophie begann, arbeitet seither an der Frage.

In den jüngsten Artikeln seiner Gruppe, die in Trends in Neurosciences, dem Journal of Neuroscience and Frontiers in Human Neuroscience, veröffentlicht wurden, wird ein etwas anderer Teil des “Kommunikationszusammenbruchs” im unbewussten Gehirn behandelt. Zusammengenommen analysierten die Arbeiten verschiedene neurale Bereiche während der Sedierung, der chirurgischen Anästhesie und des vegetativen Zustands und zeigten nicht nur, dass die Kommunikation örtlicher wird, sondern dass auch die Informationsverarbeitung langsamer wird. Mit EEG, um die elektrische Aktivität des Gehirns zu belauschen, machte das Team die komplexe Aufgabe, die Informationsintegration im Gehirn besser zu messen. Sie waren in der Lage, die unterschiedlichen Bewusstseinszustände, die sie aufgrund ihrer Messungen untersuchten, zu identifizieren.

Im Wesentlichen waren sie in der Lage zu messen, was sie “den Zustand der Modularität” in einem Gehirnnetzwerk nennen. “Modularität ist ein Maß dafür, wie vernetzt das Gehirn ist”, sagt Mashour. “Je mehr Inseln Sie haben, desto höher ist die Modularität und desto geringer ist das Integrationsmaß.”

Was ist mit Schlaf? Bewusstseinsforscher denken über Schlaf und Anästhesie als unterschiedliche Zustände, die bestimmte Eigenschaften teilen, sagt Mashour:

[Diese Arbeit] schlägt vor, dass eines der Hauptmerkmale des anästhesierten oder unbewussten Zustandes ist, dass Sie einen Zusammenbruch oder eine Fragmentierung des Netzwerks haben. Dies wurde auch für den Schlaf gezeigt. Es wurde für bestimmte Bewusstseinsstörungen gezeigt. Ich denke, dass es sich um ein durchgängiges Thema handelt.

Obwohl alle diese Zustände der Bewusstlosigkeit ähnliche Kommunikationszusammenbrüche im Gehirn zeigen, ist ein wichtiger und faszinierender Unterschied, wie wir aus ihnen herauskommen. “Warum können Sie den Schlaf in ein paar Sekunden umkehren, indem Sie jemanden schütteln? Sie können die Anästhesie innerhalb weniger Minuten umkehren, nachdem Sie die Droge abgesetzt haben, aber es könnte Jahre dauern, bis sie sich von einem pathologischen Zustand erholen?” fragt Mashour. Er und andere im Feld hoffen, dass eines Tages, wenn Forscher besser verstehen können, was diesen Unterschieden zugrunde liegt, dieses Wissen dazu verwendet werden kann, Menschen zu helfen, aus einem Koma oder vegetativen Zustand zu kommen. “Wir können darüber nachdenken, wie sich das Gehirn aus dem Zustand heraus entwickelt oder neu konstruiert, wenn es aus der Narkose kommt”, sagt Mashour.

Jenseits solcher klinischer Implikationen hofft Mashour, dass seine Arbeit zu dem, was wir über die menschliche Erfahrung wissen, weiterhin beitragen wird. “Wir versuchen zu verstehen, wie wir die Anästhesie besser überwachen können”, sagt Mashour, “aber die andere Seite der Medaille ist, dass wir diese Anästhetika als Werkzeuge verwenden, um zu versuchen zu sehen, um was es im Gehirn geht.”

Copyright: Lydia Denworth 2018.

Verweise

Huang, Zirui et al. “Zeitskalen der intrinsischen BOLD Signaldynamik und funktionellen Konnektivität in pharmakologischen und neuropathologischen Zuständen der Bewusstlosigkeit.” Journal of Neuroscience (2018): 2545-17.

Mashour, George A. und Anthony G. Hudetz. “Neuronale Korrelate der Bewusstlosigkeit in großen Gehirn Netzwerken.” Trends in den Neurowissenschaften (2018).

Kim, Hyoungkyu, et al. “Schätzung der integrierten Informationsmaßnahme Phi aus der hochdichten Elektroenzephalographie während verschiedener Bewusstseinszustände beim Menschen.” Frontiers in Human Neuroscience 12 (2018): 42.