Das Geheimnis hinter der Anästhesie

Die Kartierung, wie sich unsere neuronalen Schaltkreise unter dem Einfluss einer Anästhesie verändern, könnte eines der verwirrendsten Rätsel der Neurowissenschaften ans Licht bringen: das Bewusstsein. Durch

• Courtney Humphries Archivseite

20. Dezember 2011

Ein Videobildschirm zeigt einen Mann Ende 60, der wach auf einem Operationstisch liegt. Außerhalb des Blickfelds der Kamera fährt ein Arzt mit dem Finger vor das Gesicht des Mannes und weist ihn an, ihm mit den Augen hin und her zu folgen. Sekunden später, nach einer Dosis des starken Anästhetikums Propofol, beginnen seine Augenlider zu hängen. Dann bleiben seine Pupillen stehen. Lediglich das stetige Piepsen des Herzmonitors im Hintergrund erinnert daran, dass der Mann nicht tot ist. Er liegt im Koma, erklärt der Arzt Emery Brown. Die Vollnarkose ist ein medikamenteninduziertes reversibles Koma.

Als Anästhesist am Massachusetts General Hospital (MGH) ist Brown ständig Zeuge einer der tiefgreifendsten und mysteriösesten Leistungen der modernen Medizin. Fast 60.000 Patienten werden täglich in den USA einer Vollnarkose unterzogen, die es ihnen ermöglicht, selbst die grausamsten Operationen ahnungslos und schmerzfrei zu überstehen.

Diese Geschichte war Teil unserer Januar-Ausgabe 2012

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Aber obwohl Ärzte seit mehr als 150 Jahren Menschen unterziehen, ist es ein Rätsel, was während einer Vollnarkose im Gehirn passiert. Wissenschaftler wissen nicht viel darüber, inwieweit diese Medikamente denselben Gehirnschaltkreis anzapfen, den wir beim Schlafen verwenden, oder wie sich eine Narkose von anderen Arten des Bewusstseinsverlusts unterscheidet, beispielsweise dem Abgleiten ins Koma nach einer Verletzung. Schalten Teile des Gehirns wirklich ab oder hören sie einfach auf, miteinander zu kommunizieren? Wie unterscheidet sich eine Narkose von einem Zustand der Hypnose oder tiefer Meditation? Und was passiert im Gehirn beim Übergang zwischen Bewusstsein und Bewusstlosigkeit? Wir wissen, dass wir Sie sicher hinein- und herausholen können, sagt Brown, aber wir können Ihnen immer noch nicht genau sagen, wie es funktioniert.

Brown, der auch Neurowissenschaftler und Professor am MIT ist, hat sich zum Ziel gesetzt, die Anästhesie von einem rein klinischen Werkzeug in ein leistungsstarkes Instrument zur Untersuchung der grundlegendsten Fragen des Gehirns zu verwandeln. Er glaubt, dass das Verständnis dessen, was mit dem Gehirn unter Narkosemitteln passiert, dazu beitragen wird, die Anästhesie mit weniger Nebenwirkungen sicherer und effektiver zu machen. Es könnte auch zu neuartigen Behandlungen für Koma und andere Erkrankungen des Gehirns führen – und zu Einsichten in grundlegende Fragen der Neurowissenschaften, einschließlich der Natur des Bewusstseins selbst. Anästhesiologie ist eine Form der Neurowissenschaften, sagt George Mashour, Anästhesist und Neurowissenschaftler an der University of Michigan. Und was wir täglich tun, ist, praktisch jeden Aspekt des Nervensystems zu modulieren.

VOM CHATTER ZUM CHANT

Die Neurowissenschaften haben oft von natürlichen Experimenten profitiert – Patienten, die ihre Fähigkeit verlieren, sich zu erinnern, Sprache zu produzieren oder ihre Emotionen zu regulieren, nachdem Teile ihres Gehirns beschädigt wurden oder chirurgisch entfernt werden mussten. Anästhesisten leiten täglich ein analoges Experiment: Sie sehen, wie Bewusstseinselemente verschwinden. Unter Vollnarkose beispielsweise verlieren Patienten die Schmerzwahrnehmung, das Bewusstsein, das Gedächtnis und die Bewegungsfähigkeit. Ein Anästhesist kann jede dieser Veränderungen auf unterschiedliche Weise beeinflussen, indem er die Dosierung und die Art der verwendeten Medikamente variiert.

Indem wir verschiedene Funktionen, die wir mit Bewusstsein assoziieren, wegnehmen, sagt Brown, könnten wir möglicherweise anfangen, Teile des Puzzles zusammenzusetzen. Neurowissenschaftler könnten damit beginnen, für das Bewusstsein das zu tun, was sie mit Gedächtnis und Sprache getan haben.

Brown gehört zu einer kleinen, aber wachsenden Gruppe von Anästhesieforschern, die das Elektroenzephalogramm (EEG), ein Instrument zur Überwachung der elektrischen Aktivität des Gehirns, verwenden, um jeden Aspekt der Anästhesie bei Mensch und Tier systematisch zu untersuchen. EEG-basierte Gehirnmonitore sind in Operationssälen bereits ein alltäglicher Anblick; Einige Anästhesisten verfolgen die Gehirnaktivität ihrer Patienten mit handelsüblichen Monitoren, die Algorithmen verwenden, um EEG-Signale in grobe Indizes umzuwandeln. (Andere verfolgen nur körperliche Anzeichen wie Herzfrequenz und Blutsauerstoffgehalt.) Aber nur wenige von ihnen verbringen Zeit damit, sich die rohen EEG-Daten anzusehen.

Brown hat jedoch eine andere Perspektive als die meisten Anästhesisten; er ist auch statistiker. Nachdem er in den späten 1980er Jahren sowohl einen Doktortitel als auch einen Doktortitel in Harvard erhalten hatte, verfolgte er beide Wege getrennt, arbeitete in den Operationssälen von MGH und leitete ein Forschungslabor, das sich auf die Entwicklung von Signalverarbeitungsalgorithmen zur Extraktion von Informationen aus biologischen Daten konzentrierte.

Brown schätzte die neurowissenschaftlichen Experimente, die jeden Tag während der Operation vor ihm stattfanden, nicht, bis einer seiner Kollegen vorschlug, eine Studie an narkotisierten Patienten durchzuführen. Wenn man den Prozess beobachtet, wird einem klar, dass nicht alle Teile des Gehirns gleichzeitig abschalten, sagt er. Es gibt eine Hierarchie, es gibt eine Abstufung.

Das gleiche gilt, wenn die Medikamente nachlassen. Normalerweise kehren die grundlegendsten Gehirnfunktionen zuerst zurück – die Atmung kehrt zurück, und dann, wenn die Bereiche des Hirnstamms, die den Speichelfluss und die Tränenwege kontrollieren, wiederbelebt werden, füllt sich der Mund der Patienten mit Speichel und ihre Augen tränen. Sie schlucken und husten, wenn Bereiche aktiv werden, die die Empfindung im Rachen kontrollieren. Schließlich bewegen sich ihre Augen, und dann reagieren sie auf die Außenwelt. Später wird die Benommenheit nachlassen und komplexe Gehirnfunktionen werden wieder aufgenommen. Wenn man aufpasst und diese Übergänge beobachtet, ist es einfach unglaublich, sagt Brown. Wir wären wirklich nachlässig, wenn wir nicht weitermachen und versuchen würden, herauszufinden, was diese Zustände sind, was tatsächlich im Gehirn passiert, und dann über neue Wege zur Verbesserung des Anästhesieprozesses nachzudenken.

Eines der Dinge, die Brown bei der Beobachtung der EEGs seiner Patienten auffiel, ist, wie schnell und vollständig Medikamente wie Propofol die Gehirnaktivität verändern können. Wenn die Patienten in einen narkotisierten Zustand übergehen, verschiebt sich das normale Muster geringer Intensität, aber hoher Frequenz zu einem von weniger häufigen, aber intensiveren Pulsen – als ob das ständige Rattern des Gehirns einem Gesang gewichen wäre. Der Ort der Aktivität verschiebt sich von der Rückseite des Gehirns nach vorne. Obwohl es möglich ist, Patienten in einen so tiefen Zustand der Bewusstlosigkeit zu versetzen, dass ihr EEG im Wesentlichen flach ist, wechseln sich in den meisten Fällen EEG-Aktivitäten mit Phasen relativer Inaktivität ab, die Minuten dauern können. Die Gehirnprozesse erscheinen hoch organisiert, sagt er. Es gibt sehr regelmäßige Muster in der Zeit und sehr regelmäßige Muster im Raum.

Das Unbewusste kartieren: Dieses Spektrogramm zeigt EEG-Aufzeichnungen eines Patienten in Vollnarkose. Zwei Dosen des intravenösen Anästhetikums Propofol führen zu Aktivitätsausbrüchen (Minute sieben). Dann wird ein inhalatives Anästhetikum, Isofluran, hinzugefügt und bei Minute 14 beginnt ein charakteristisches Muster aus langsamen und Alpha-Oszillationen. Die Operation endet in Minute 16 und das Isofluran wird abgeschaltet. Das EEG wechselt allmählich zu hochfrequenten, weniger intensiven Schwingungen.

Brown sagt, dass einige Medikamente die Häufigkeit von Gehirnwellen verringern, die in EEG-Messungen zu sehen sind, was zu langsamen, regelmäßig oszillierenden Wellen in großen Bereichen des Gehirns führt. Andere Medikamente verursachen in bestimmten Bereichen schnelle, regelmäßige Schwingungen. Da Anästhesisten normalerweise jedem Patienten einen Medikamentencocktail verabreichen, können diese Wirkungen gleichzeitig auftreten. Das Ergebnis, sagt Brown, ist wie ein gestautes Signal: So oder so können [die verschiedenen Teile des Gehirns] nicht kommunizieren.

In den letzten Jahren haben andere EEG-Studien die Idee unterstützt, dass eine Anästhesie das Gehirn nicht einfach abschaltet, sondern seine interne Kommunikation stört. Mashours Forschung hat zum Beispiel gezeigt, dass die Rückkopplung zwischen Vorder- und Rückseite des Gehirns während einer Vollnarkose unterbrochen wird, was zu einer Trennung zwischen verschiedenen Gehirnnetzwerken führt. Dieses Feedback gilt als wichtig für das Bewusstsein.

Auch Anthony Hudetz, Anästhesist am Medical College of Wisconsin in Milwaukee, sagt, dass Anästhesie nicht einfach die Sinne abschaltet. Hudetz verabreicht menschlichen Freiwilligen eine Narkose auf einem niedrigeren als dem klinischen Niveau, um ihr Gehirn zu beobachten, wie es in die Bewusstlosigkeit rutscht. Wir stellen fest, dass das narkotisierte Gehirn immer noch sehr auf Reize reagiert, sagt er; Sowohl das EEG als auch die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT), eine indirekte Methode zur Messung der Gehirnaktivität, zeigen eine Reaktion auf Licht und Geräusche. Aber irgendwie wird diese sensorische Information nie verarbeitet und in die Art von Aktivität integriert, die für die bewusste Wahrnehmung notwendig ist.

Ein besseres Verständnis dieser Veränderungen könnte einen Weg zu neuen Behandlungsmethoden für Hirnverletzungen und andere Erkrankungen weisen. Die Muster hochstrukturierter Schwingungen bei Patienten, denen Anästhetika verabreicht werden, ähneln Zuständen, die bei Menschen beobachtet werden, die während epileptischer Anfälle das Bewusstsein verlieren oder im tiefen Koma liegen. Und die Bewusstlosigkeit, die aus niedrigen Dosen der Medikamente resultiert, ähnelt dem gewöhnlichen Wachzustand oder den frühen Stadien des Einschlafens. Aber um genau herauszufinden, wie und warum diese Muster zusammenhängen, wird eine genauere Prüfung erforderlich sein.

Mapping der Kommunikationsaufschlüsselung

Um wirklich zu verstehen, ob die Kommunikation zwischen verschiedenen Hirnarealen zusammengebrochen ist, brauchen Wissenschaftler eine Möglichkeit, die Aktivität dieser Regionen und die Interaktionen zwischen ihnen räumlich detaillierter abzubilden. Dafür wenden sie sich der fMRT zu, die die Veränderungen des Blutflusses misst, die mit der neuralen Aktivität verbunden sind (siehe Erhöhung des Bewusstseins, Januar/Februar 2007) .

In Zusammenarbeit mit dem Bioingenieur Patrick Purdon und anderen Kollegen am MGH hat Brown eine Möglichkeit entwickelt, gleichzeitig EEG-Aufzeichnungen und fMRT-Scans an Patienten durchzuführen, die in einen tief anästhesierten Zustand geraten. Die Bildgebung des Gehirns bei Menschen, die sich einer Anästhesie unterziehen, ist schwierig, da sie die Anästhesie von Personen innerhalb eines Scanners und außerhalb eines normalen Operationssaals erfordert. Brown und seine Kollegen fanden einen Weg, die technischen und sicherheitstechnischen Probleme zu lösen: Sie rekrutierten Freiwillige, die bereits Tracheostomien oder chirurgische Löcher im Hals erhalten hatten. Das bedeutete, dass ein Schlauch verwendet werden konnte, um im Notfall ihre Atmung wiederherzustellen. 2009 zeigten die Forscher, dass sie sowohl EEG- als auch fMRT-Daten von Narkosepatienten sicher aufzeichnen können; Jetzt arbeiten sie daran, die Bildgebungs- und EEG-Daten mit den beobachtbaren Veränderungen zu korrelieren, die beobachtet werden, wenn Patienten in einen anästhesierten Zustand übergehen.

Brown arbeitet auch mit Purdon zusammen, um Epilepsiepatienten zu untersuchen, denen mehrere Tage lang Elektroden ins Gehirn implantiert wurden, damit Kliniker Anfälle aufzeichnen und lokalisieren können. Wenn die Patienten sich einer Operation unterziehen, um die als Anfallsstellen identifizierten Hirnareale zu entfernen, zeichnen die Elektroden die Gehirnwellen auf, während die Anästhesie verabreicht wird. Diese Elektroden sammeln Daten über einen viel kleineren Teil des Gehirns als EEG oder fMRT, aber die Auflösung ist viel höher, sodass Wissenschaftler ein Gefühl dafür bekommen, was im Gehirn auf zellulärer Ebene passiert, wenn der Patient anästhesiert wird. Folgestudien an Tieren könnten noch mehr Details liefern, indem sie es den Forschern ermöglichen, Elektroden umfangreicher und an genauen Stellen zu implantieren. Die Forscher werden in der Lage sein, aus dem Gehirn selbst heraus zu dokumentieren, wie sich die Aktivität verändert, wenn das Gehirn ins Bewusstsein gerät und es wieder verlässt.

ZUSAMMENGESETZTES BEWUSSTSEIN

Wenn Sie systematisch katalogisieren können, wie das Gehirn unter dem Einfluss von Anästhetika das Bewusstsein verliert, können Sie dann daraus schließen, woraus Bewusstsein besteht?

Brown weist schnell darauf hin, dass er das Bewusstsein nicht explizit studiert; es ist ein chaotisches Problem, und viele Neurowissenschaftler vermeiden das Wort. Sein Ansatz besteht darin, das zu untersuchen, was er veränderte Erregungszustände nennt. Dazu gehören Anästhesie, Schlaf, Koma, Hypnose und Meditation sowie Aspekte von Erkrankungen wie Schizophrenie, Epilepsie und Parkinson. Er glaubt, dass das Verständnis der Funktionsweise des Gehirns, wenn es von seinem normalen Bewusstseinszustand abweicht, unweigerlich Aufschluss darüber geben wird, was Bewusstsein ist.

Anästhesiestudien haben bereits eine populäre Theorie in Frage gestellt, die das Bewusstsein mit einer bestimmten Art von Gehirnwellen mit einer Frequenz von etwa 40 Hertz in Verbindung bringt. Mashour weist darauf hin, dass die Forschung in der Anästhesie zeigt, dass diese Wellen auch dann existieren können, wenn Patienten bewusstlos sind. Aber die Muster, die Anästhesisten sehen, stützen eine andere Theorie: dass Bewusstsein aus der Integration von Informationen über große Netzwerke im Gehirn entsteht. Hudetz sagt, dass verschiedene Medikamente zwar unterschiedliche chemische Strukturen und unterschiedliche Wirkungen haben, wie zum Beispiel das Gedächtnis blockieren oder das Gehirn sedieren, aber wenn wir eines dieser Medikamente in einer ausreichend hohen Dosis verabreichen, nehmen sie irgendwann das Bewusstsein. Wie erreichen wir diesen gemeinsamen Endpunkt durch eine solche Vielzahl von Medikamenten, die über unterschiedliche molekulare Mechanismen wirken? Eine Erklärung ist, dass das Bewusstsein, das aus dem komplexen Zusammenspiel vieler Arten von Aktivitäten entsteht, auf viele verschiedene Arten gestört werden kann.

Brown hofft, dass die Erkenntnisse aus dieser Arbeit auf andere Bereiche übertragen werden können. Mehr darüber zu wissen, wie das Gehirn unter Narkose funktioniert, könnte den Forschern helfen, die Gehirnaktivität bei Menschen im Wachkoma zu erkennen und zu zeigen, dass sie möglicherweise mehr wahrnehmen als bisher angenommen. Die sichereren Anästhetika, die aus der Forschung hervorgehen könnten, könnten in der Schlafmedizin nützlich sein, und Möglichkeiten zur Wiederbelebung der kognitiven Funktion bei narkotisierten Patienten könnten zu Strategien führen, die Menschen aus dem Koma erholen. Ketamin, ein häufig verwendetes Anästhetikum, hat sich als vielversprechende Behandlung von Depressionen erwiesen; Auch andere Anästhetika könnten sich als geeignet erweisen, psychiatrische Erkrankungen zu behandeln. Die Untersuchung des Bewusstseinsverlusts in der Anästhesie wird nicht nur die Natur des Bewusstseins erhellen, sondern diese Zustände gedämpften oder veränderten Bewusstseins aus dem Schatten holen.

Courtney Humphries ist Wissenschaftsautorin und Autorin von Superdove: Wie die Taube Manhattan eroberte … und die Welt .

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