Consciousness, Anesthesia and Brain Resting State Networks

Consciousness is a great mystery to science. Despite several attempts, none of the current theories have managed to explain how and why it exists. Theories struggle with fundamental philosophical questions, such as the hard problem, that contests how something mental, like consciousness, can be explained by physical phenomena such as neural activity. Modern neuroscientific study of consciousness puts aside this and a few other yet unreachable questions. It focuses on finding the neural correlates of consciousness (NCC) comprising the physical phenomena, which correlate with certain aspects of consciousness. In the NCC studies, consciousness is usually taken to have two aspects: the states of consciousness, encompassing awake, dreaming, and unconscious states, and contents of consciousness, such as an experienced perceptual stimulus. Experimental anesthesia and functional brain imaging are essential tools for the search of the NCC. Anesthesia offers a reliable and reversible method to alter the subject's state of consciousness. The brain function during these altered states of consciousness can be measured with functional imaging methods, such as functional magnetic resonance imaging (fMRI). It measures neuronal activity via a blood oxygen level dependent (BOLD) signal. Functional connectivity analysis of the BOLD-signal can be used to explore the organization of spatially distinct brain areas into functional networks, which are associated with specific cognitive functions such as attention control and emotional regulation. Recently, several studies have shown that changes in functional connectivity between and within these networks are also associated with altered states of consciousness induced by anesthetic drugs. This review will cover the essential questions and methodology of current exploration of neural correlates of states of consciousness, focusing on the resting state networks and the use of fMRI and experimental anesthesia as research tools. Effects of different anesthetics on these networks are also compared. Different anesthetics used in experimental anesthesia have quite distinct pharmacological mechanisms of action, even though the induced brain functional connectivity patterns resemble each other. Propofol-induced unconsciousness is mediated either from corticocortical or thalamocortical disconnection. The nonspecific thalamic nodes, related to arousal and distribution of information, may have an important role in propofol-induced unconsciousness. Dexmedetomidine has similar patterns in connectivity changes as propofol, but the connectivity between deeper brain regions and thalamus remains less affected, possibly explaining the easier arousal from dexmedetomidine-induced unconsciousness. Ketamine increases the overall functional connectivity but disrupts the connectivity in the higher-order networks of the brain inducing “dissociative anesthesia”. The role of thalamic functional connectivity during ketamine anesthesia has not been studied and would be an interesting subject for future studies.Tietoisuuden syntymekanismi on yksi suurimmista ratkaisemattomista mysteereistä. Filosofiset kysymykset, kuten tietoisuuden niin kutsuttu vaikea ongelma ja selityksellinen kuilu, ovat edelleen ajankohtaisia ja ne kyseenalaistavat esimerkiksi pystytäänkö tietoisuuden syntymekanismeja koskaan selittämään tieteellisin keinoin. Nykyinen neurotieteellinen tutkimus pyrkii selvittämään tietoisuuden hermostollisia vastineita, eli kuvaamaan tiettyyn tietoisuuden tilaan tai sisältöön liittyviä aivotoiminnan mekanismeja. Näitä vastineita tutkittaessa käytetään jakoa tietoisuuden tiloihin, joita ovat hereillä olo, unennäkö ja tajuttomuus tai tietoisuuden komponentteihin joita ovat esimerkiksi koettu auditorinen tai visuaalinen ärsyke. Tässä katsausartikkelissa käydään läpi nykyisen tietoisuuden tutkimuksen ja sen tilojen neurologisten vastineiden etsimisen perusteet, keskittyen funktionaaliseen magneettikuvaukseen, lepotilaverkostoihin ja anestesiaan. Artikkelissa myös vertaillaan aikaisempien sellaisten tutkimusten tuloksia, jotka käsittelevät eri anesteettien vaikutuksista lepotilaverkostoihin. Kokeellista anestesiaa ja toiminnallista aivokuvantamista käytetään työkaluina tietoisuuden tiloihin liittyvien aivotoiminnan mekanismien tutkimisessa. Anestesian avulla voidaan luotettavasti ja palautuvasti aiheuttaa muutoksia koehenkilöiden tajunnan tilaan. Samalla tutkimuskysymyksiin etsitään vastauksia kuvantamalla tiettyihin tajunnan tiloihin tai niiden muutoksiin liittyviä aivotoiminnan mekanismeja. Kuvantamismenetelmistä toiminnallisella magneettikuvauksella pysytään mittaamaa hermokudoksen aktiivisuutta veren happipitoisuudesta riippuvalla signaalilla. Vertaamalla aktivoitumista tietyltä alueelta verraten sitä koko aivojen samanaikaiseen aktivoitumiseen, saadaan näkyviin toiminnallisia verkostoja, joilla on omia tehtäviä esimerkiksi kognitiivisessa prosessoinnissa ja tarkkaavaisuuden keskittämisessä. Myös tietoisuuden tasot korreloivat näiden verkostojen sisäisten ja keskinäisten yhteyksien sekä oikea-aikaisen aktivoitumisen kanssa. Kokeellista anestesiaa käytettäessä on huomioitava eri anesteettien erilaiset vaikutusmekanismit, vaikkakin aivokuvantamisella aktivoitumismuutokset muistuttavat toisiaan. Vertailtavissa anesteeteissa esiintyy yhtäläisyyksiä kortikaalisten verkostojen yhteyksien heikkenemiseen ja tietoisuuden häviämiseen liittyen. Propofolin keskeisenä mekanismina on joko yhteyksien katkaiseminen aivokuoren verkostoissa tai talamuksen ja aivokuoren välillä. Deksmedetomidiinin fMRI:llä mitatut vaikutukset muistuttavat paljon propofolia, mutta yhteys talamuksen ja syvempien aivoalueiden välillä säilyy, joka todennäköisesti mahdollistaa nopeamman heräämisen. Ketamiini lisää toiminnallista konnektiivisuutta verkostoissa, kuitenkin samalla hajottaen järjestäytymistä korkeamman asteen verkostoissa. Propofolista poiketen ketamiinin vaikutus toimintaverkostoon on vähäinen. Talamuksen merkitys yhteyksien muutoksissa yleisesti jää vielä epävarmaksi: ovatko muutokset syytä vai seurausta aivokuoren yhteyksien hajoamisesta

Anesthetic-induced unresponsiveness: Electroencephalographic correlates and subjective experiences

Anesthetic drugs can induce reversible alterations in responsiveness, connectedness and consciousness. The measures based on electroencephalogram (EEG) have marked potential for monitoring the anesthetized state because of their relatively easy use in the operating room. In this study, 79 healthy young men participated in an awake experiment, and 47 participants continued to an anesthesia experiment where they received either dexmedetomidine or propofol as target-controlled infusion with stepwise increments until the loss of responsiveness. The participants were roused during the constant drug infusion and interviewed. The drug dose was increased to 1.5-fold to achieve a deeper unresponsive state. After regaining responsiveness, the participants were interviewed. EEG was measured throughout the experiment and the N400 event-related potential component and functional and directed connectivity were studied. Prefrontal-frontal connectivity in the alpha frequency band discriminated the states that differed with respect to responsiveness or drug concentration. The net direction of connectivity was frontal-to-prefrontal during unresponsiveness and reversed back to prefrontal-to-frontal upon return of responsiveness. The understanding of the meaning of spoken language, as measured with the N400 effect, was lost along with responsiveness but, in the dexmedetomidine group, the N400 component was preserved suggesting partial preservation of the processing of words during anesthetic-induced unresponsiveness. However, the N400 effect could not be detected in all the awake participants and the choice of analysis method had marked impact on its detection rate at the individual-level. Subjective experiences were common during unresponsiveness induced by dexmedetomidine and propofol but the experiences most often suggested disconnectedness from the environment. In conclusion, the doses of dexmedetomidine or propofol minimally sufficient to induce unresponsiveness do not render the participants unconscious and dexmedetomidine does not completely abolish the processing of semantic stimuli. The local anterior EEG connectivity in the alpha frequency band may have potential in monitoring the depth of dexmedetomidine- and propofol-induced anesthesia.Anesteettien aiheuttama vastauskyvyttömyys: aivosähkökäyräpohjaiset korrelaatit ja subjektiiviset kokemukset Anestesialääkkeillä voidaan saada aikaan palautuvia muutoksia vastauskykyisyydessä, kytkeytyneisyydessä ja tajunnassa. Aivosähkökäyrään (EEG) pohjautuvat menetelmät tarjoavat lupaavia mahdollisuuksia mitata anestesian vaikutusta aivoissa, sillä niitä on suhteellisen helppo käyttää leikkaussalissa. Tässä tutkimuksessa 79 tervettä nuorta miestä osallistui valvekokeeseen ja 47 heistä jatkoi anestesiakokeeseen. Anestesiakokeessa koehenkilöille annettiin joko deksmedetomidiinia tai propofolia tavoiteohjattuna infuusiona nousevia annosportaita käyttäen, kunnes he menettivät vastauskykynsä. Koehenkilöt herätettiin tasaisen lääkeinfuusion aikana ja haastateltiin. Koko kokeen ajan mitattiin EEG:tä, josta tutkittiin N400-herätevastetta sekä toiminnallista ja suunnattua konnektiivisuutta. Prefrontaali-frontaalivälillä mitattu konnektiivisuus alfa-taajuuskaistassa erotteli toisistaan tilat, jotka erosivat vastauskykyisyyden tai lääkepitoisuuden suhteen. Konnektiivisuuden vallitseva suunta oli frontaalialueilta prefrontaalialueille vastauskyvyttömyyden aikana, mutta se kääntyi takaisin prefrontaalisesta frontaaliseen kulkevaksi koehenkilöiden vastauskyvyn palatessa. N400-efektillä mitattu puhutun kielen ymmärtäminen katosi vastauskyvyn menettämisen myötä. Deksmedetomidiiniryhmässä N400-komponentti säilyi, mikä viittaa siihen, että anesteettien aiheuttaman vastauskyvyttömyyden aikana sanojen prosessointi voi säilyä osittain. Yksilötasolla N400-efektiä ei kuitenkaan havaittu edes kaikilla hereillä olevilla henkilöillä, ja analyysimenetelmän valinnalla oli suuri vaikutus herätevasteen havaitsemiseen. Subjektiiviset kokemukset olivat yleisiä deksmedetomidiinin ja propofolin aiheuttaman vastauskyvyttömyyden aikana, mutta kokemukset olivat usein ympäristöstä irtikytkeytyneitä. Yhteenvetona voidaan todeta, että deksmedetomidiini- ja propofoliannokset, jotka juuri ja juuri riittävät aikaansaamaan vastauskyvyttömyyden, eivät aiheuta tajuttomuutta. Deksmedetomidiini ei myöskään täysin estä merkityssisällöllisten ärsykkeiden käsittelyä. Frontaalialueen sisällä EEG:llä mitattu konnektiivisuus alfataajuuskaistassa saattaa olla tulevaisuudessa hyödyllinen menetelmä deksmedetomidiini- ja propofolianestesian syvyyden mittaamiseksi