La chasse aux signes cachés de la conscience chez les patients inaccessibles

Les experts peuvent ne pas s'entendre sur ce qu'est ou n'est pas la conscience. Mais cela n'a pas empêché Marcello Massimini de scruter l'esprit des personnes atteintes de lésions cérébrales profondes pour déterminer si quelqu'un est toujours à l'intérieur et comment procéder au traitement.

Russ Juskalian

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• Russ Juskalian page d'archives

25 août 2021

À première vue, il n'y a rien de remarquable dans l'hôpital peu inspiré et peu élevé du côté ouest de Milan, affectueusement connu sous le nom de Gnocchi. Mais deux étages plus haut, dans une aile isolée du Don Carlo Gnocchi IRCCS Centre S. Maria Nascente , un homme peu communicatif avec une grave lésion cérébrale est connecté à une suite technologique qui, selon les chercheurs, peut leur dire s'il est conscient.

L'homme est assis dans ce qui ressemble à une chaise de dentiste motorisée, la tête penchée en arrière, un masque chirurgical bleu couvrant sa bouche et son nez. Un bonnet en filet blanc parsemé de 60 électrodes, chacune reliée à un câble de deux mètres de long, est maintenu en place par une sangle sous son menton. Planant au-dessus de lui, un réseau infrarouge positionné sur un bras articulé fait rebondir les signaux des capteurs attachés aux tempes de l'homme pour produire une superposition mobile, construite par IRM, de son cerveau sur un moniteur à proximité. Un chercheur qui regarde le moniteur appuie ensuite un ovale en plastique blanc sur le crâne de l'homme et dirige des impulsions électromagnétiques vers des zones de la taille de Tic Tac de son cerveau.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de septembre 2021

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Chaque impulsion produit un clic audible. Trois câbles lourds, chacun à peu près aussi épais qu'un tuyau d'arrosage, s'enroulent derrière l'appareil jusqu'à une machine d'un quart de million de dollars contrôlant la sortie. De l'autre côté de la pièce, Marcello Massimini, un neuroscientifique aux yeux bleus et aux cheveux bouclés, et Angela Comanducci, la neurologue du patient, regardent sur un ordinateur portable des gribouillis bleus compliqués représentant des ondes cérébrales remplir l'écran en temps quasi réel. Ce que les scientifiques y voient est le moindre signe d'une conscience liminaire, peut-être onirique.

Une personne en bonne santé sert de sujet de test pour le compteur de conscience.

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De retour au laboratoire, un ordinateur attribuera à ces enregistrements d'ondes cérébrales un numéro de 0 à 1 - le soi-disant indice de complexité perturbatrice, ou PCI. Ce nombre unique, selon Massimini et ses collègues, est une mesure brute d'un type de complexité qui révèle si une personne est consciente. Les chercheurs ont même calculé un seuil de 0,31 qui, selon une étude réalisée en 2016 sur la technologie chez des sujets sains et cérébrolésés, discriminait les conditions inconscientes et conscientes avec une sensibilité de 100 % et une spécificité de 100 %. En d'autres termes, cela fonctionne bien, vraiment bien.

Ce qui est encore plus troublant, c'est que lorsque les chercheurs ont calculé l'ICP à partir d'un groupe de patients atteints de syndrome d'éveil insensible (UWS, une condition précédemment connue sous le nom d'état végétatif), ils ont constaté qu'environ un sur cinq avait une valeur PCI dans la distribution de conscience. Même si [un tel] patient est complètement insensible, aucun signe de conscience, m'a dit Massimini, vous pouvez dire avec confiance que ce patient est néanmoins conscient.

Une telle percée représente le compteur de conscience le plus précis jamais vu en médecine (même s'il est encore brut, rudimentaire et non raffiné). Les implications médicales sont vastes. Les estimations suggèrent qu'il y a jusqu'à 390 000 personnes dans le monde atteintes de troubles de la conscience . Certains d'entre eux, insensibles, peuvent être traités comme si personne n'était là-dedans - alors qu'ils font l'expérience du monde éveillé, seul et incapable de sortir de leur prison corporelle tant qu'ils vivent.

Massimini est convaincu que PCI peut aider à identifier ces personnes.

En juillet 2021, lorsque je lui ai rendu visite à Milan, Massimini collaborait avec d'autres chercheurs à Milan, Boston, Los Angeles et au-delà. En attendant, les mesures PCI sont déjà utilisées à Gnocchi pour aider à guider le diagnostic et à déterminer le potentiel de récupération partielle.

La solution

Le PCI est né de la recherche de surmonter près d'un siècle d'obstacles se dressant sur la voie de la mesure de la conscience. Depuis 1924, quand Hans Berger a inventé l'électroencéphalographie (EEG), les scientifiques ont tenté d'accéder aux réponses électriques que notre cerveau utilise pour communiquer, dans l'espoir de voir, prédire et mesurer ce qui se passe derrière la protection de 6,5 millimètres d'épaisseur de nos crânes. L'invention de Berger a détecté des changements dans les pics de tension produits par nos neurones, convertissant ces signaux en gribouillis semblables à des sismographes popularisés sous forme d'ondes cérébrales.

Les modèles EEG standard comprennent des ondes alpha rapides, oscillant environ 10 fois par seconde et courantes dans la conscience, et des ondes delta lentes, oscillant environ une fois par seconde et courantes dans le sommeil sans rêve ou sous anesthésie. Mais écouter passivement le cerveau avec l'EEG est un moyen imparfait de déterminer la conscience, car les exceptions se cachent partout.

La kétamine anesthésique peut exciter le cerveau, entraînant une alternance d'ondes alpha et delta. Certains types de patients dans le coma présentent des oscillations rapides lorsqu'ils sont inconscients. Et les personnes sous l'influence de l'atropine, un médicament ou pendant un schéma de crise appelé état de mal épileptique, déclarent être conscientes tout en affichant les ondes cérébrales lentes typiques de l'inconscience.

Un problème encore plus important est que l'activité cérébrale d'un patient elle-même - le résultat d'une courte durée d'attention, de somnolence, de mouvements volontaires ou involontaires, de distractions visuelles ou même d'un manque de désir de suivre les instructions - peut entraîner un biais de l'EEG passif et réagir d'une manière qui rendre ses messages un gâchis.

Le cas du PCI est qu'il prétend être une mesure objective de la conscience - un oui ou un non relativement simple. Ce qui le différencie de l'EEG classique, selon Massimini, c'est que si l'ancienne technologie ne mesure que l'activité cérébrale en cours, l'ICP mesure la capacité du cerveau à maintenir des interactions internes complexes. Vous pouvez le faire, dit-il, si vous donnez un coup au cerveau, puis suivez comment cette perturbation filtre, se répercute et agit sur son parcours à travers l'architecture incroyablement complexe de 86 milliards de neurones et leurs 100 billions de connexions dans le cerveau humain .

qui frappent ou zapper est délivré via la stimulation magnétique transcrânienne (TMS), qui existe sous une forme moderne depuis les années 1980 : une baguette est maintenue contre la tête pour envoyer une impulsion électromagnétique dans le cerveau. Lorsqu'il est utilisé pour cibler le cortex moteur, le TMS peut provoquer des contractions involontaires de la main ; lorsqu'il cible le cortex visuel, il peut induire des visuels semblables à des éclairs dans l'œil de l'esprit.

Pour générer une lecture PCI, Massimini utilise TMS sur le cortex cérébral. Ensuite, il utilise l'EEG pour mesurer ce qui se passe. C'est la qualité du post- zapper signal qui mène à un score.

Marcello Massimini dans son bureau milanais.

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Ce que Massimini recherche dans cet EEG perturbé, c'est un type particulier de complexité organisée, mais pas trop organisée. L'esprit conscient ne produit ni les ondulations parfaitement synchronisées d'une pierre lancée dans un étang imaginaire ni le bruit parfaitement brouillé de la neige entre les chaînes d'une télévision analogique. Le modèle de la conscience ressemble plus à un chaos complexe - un modèle unique parmi un nombre presque infini de possibilités, avec des ondes cérébrales apparaissant similaires dans certains domaines et profondément différentes dans d'autres.

À l'écran de l'hôpital, un PCI élevé ressemble à une série de gribouillis qui commencent de la même manière mais se différencient les uns des autres lorsqu'ils se déplacent dans la géographie du cerveau. Un faible PCI est encore plus facile à voir : soit vous obtenez la même onde longue et lente partout, soit vous obtenez une onde dans une partie du cerveau et du silence partout ailleurs.

Pendant des années, Massimini et d'autres ont pu littéralement regarder l'enregistrement de la conscience à l'écran, mais ils ne savaient pas comment la quantifier.

Ils avaient des indices sur la façon de procéder, puisque la recherche de PCI a été construite sur la base de théorie de l'information intégrée (IIT), un modèle de conscience controversé proposé par Giulio Tononi, professeur de psychiatrie à la faculté de médecine de l'Université du Wisconsin (voir page 82). L'IIT affirme qu'un cerveau conscient a un haut niveau d'intégration (ses différentes parties s'influencent mutuellement) ainsi qu'un haut niveau de différenciation (les parties produisent des signaux divers).

Massimini essayait de trouver un indicateur de cette complexité qui pourrait être calculé en laboratoire, mais l'objectif était insaisissable.

Le coup de chance, comme il s'en souvient, est venu d'un physicien brésilien ennuyé nommé Adenauer Casali dont la femme travaillait dans le couloir. Massimini a offert à Casali un espace dans son bureau, où le physicien passait son temps à lire Dante et d'autres grands noms italiens. Un jour, les deux ont commencé à parler et Massimini a mentionné le problème.

Il est dans mon laboratoire, assis sur la chaise, se souvient Massimini. Nous commençons à parler : « Nous faisons ceci et cela, et nous avons ce problème, au fait, peut-être pouvez-vous ajouter quelque chose ? » En effet, la solution était évidente pour Casali. Tout ce que Massimini devait faire était de prendre les enregistrements TMS-EEG et de compresser les données en utilisant le même algorithme qu'un ordinateur utilise pour compresser les fichiers au format ZIP. Un signal de faible complexité finirait par être minuscule car il contiendrait si peu de données uniques. Un signal de haute complexité indiquant un esprit conscient serait important. Casali a été crédité en tant que premier auteur de l'article introduisant la quantification du PCI, et la procédure elle-même reste connue sous le nom de zap-ZIP .

Sceptiques

C'est une chose difficile de poursuivre quelque chose comme PCI quand les experts ne peuvent toujours pas s'entendre sur ce qu'est la conscience et ce qu'elle n'est pas. Tononi, qui ressemble parfois à un mystique, m'a expliqué la nature de la conscience avec un exemple tiré de la vie quotidienne. Tu es allongé dans ton lit et tu dors, un sommeil sans rêve, puis tu te réveilles et soudain il y a quelque chose plutôt que rien, m'a-t-il dit. Ce quelque chose est la conscience – avoir une expérience.

Pendant la plus grande partie de l'histoire, détecter que quelque chose n'était pas si difficile. Si vous posez une question à quelqu'un et obtenez une réponse raisonnable, cette personne était probablement consciente.

C'est toujours l'étalon-or, dit Massimini.

[Massimini a] montré empiriquement que lorsque les réseaux cérébraux sont fermés par l'anesthésie, le sommeil ou une lésion cérébrale, vous avez des schémas de complexité différents de ceux observés lorsque quelqu'un est éveillé.

Brun émeri

Mais l'utilisation croissante de la ventilation mécanique dans les années 1950 et 1960 a contribué à créer pour la première fois une importante population de personnes souffrant de troubles de la conscience à long terme. Aujourd'hui, il y a ceux qui peuvent être maintenus en vie même si nous n'avons aucune preuve que quelqu'un soit là-dedans . Et il y a ceux comme l'homme aux cheveux gris de Gnocchi qui montrent des indices potentiels de conscience, comme des yeux qui suivent le mouvement, mais n'ont aucun moyen comportemental de communiquer ou de prouver leur existence interne. Au-delà se trouve tout un spectre d'états difficiles à distinguer. Chez Tononi quelque chose est une condition que nous pouvons tous identifier immédiatement en nous-mêmes mais que nous avons du mal à connaître chez les autres à moins qu'ils ne nous le disent.

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Cela rend toute mesure de la conscience controversée, sans parler de celle dont le fondement théorique est l'IIT. Alors que certains scientifiques ont qualifié l'IIT de meilleure théorie de la conscience proposée à ce jour, tout le monde n'est pas fan. Lorsque j'ai écrit à Michael Graziano, neuroscientifique à Princeton, à propos de son opinion sur l'IIT et l'ICP, sa réponse a été sans équivoque.

L'IIT est une pseudoscience, a-t-il écrit.

Mais, a-t-il poursuivi, même la phrénologie - l'idée, maintenant fermement établie comme un non-sens, que la forme de la tête des gens peut vous renseigner sur leur personnalité - a contribué à pousser la science dans les années 1800 vers l'idée que différentes parties du cerveau avaient des fonctions différentes, et que le cortex cérébral méritait une certaine attention. Ce changement de perspective a conduit à la plupart des découvertes majeures en sciences du cerveau pendant un siècle, a-t-il reconnu, donc PCI pourrait encore valoir quelque chose.

Emery Brown, un neuroscientifique et anesthésiste qui est le directeur du programme Harvard-MIT en sciences et technologies de la santé, réserve son jugement, attendant que davantage de preuves arrivent. Il se méfie de laisser la théorie guider l'analyse. Pourtant, Brown admire Massimini pour faire des expériences, analyser soigneusement les données et publier les résultats pour que tout le monde puisse les voir.

Ce que j'aime là-dedans, quand j'entends Marcello en parler, c'est qu'il est un empiriste total, m'a dit Brown. Il a montré empiriquement que lorsque les réseaux cérébraux sont fermés par l'anesthésie, le sommeil ou une lésion cérébrale, vous avez des schémas de complexité différents de ceux observés lorsque quelqu'un est éveillé.

Et cet empirisme constitue un cas convaincant lorsque les valeurs PCI sont calculées chez des êtres humains réels.

Belle consistance

La puissance de l'approche de Massimini est peut-être mieux représentée dans une belle cohérence graphique après des années de test de la technologie.

Sur le graphique, les valeurs PCI calculées à partir de personnes connues pour avoir été conscientes ou non sont enregistrées sous forme de points séparés par une ligne pointillée au seuil de 0,31. Dans chaque cas, les scores PCI maximaux enregistrés dans le sommeil sans rêve, ou sous l'influence de l'un des trois médicaments anesthésiques différents, sont inférieurs à la ligne. Et pour les mêmes personnes, chacun des scores maximaux lorsqu'ils sont éveillés, en train de rêver en sommeil paradoxal ou sous l'influence de la kétamine (qui, à des doses anesthésiques, induit un état onirique) est au-dessus de la ligne.

Il en va de même pour presque tous les scores maximaux des patients atteints du syndrome de verrouillage et qui ont subi des accidents vasculaires cérébraux, qui au moment de l'étude ont pu prouver leur conscience en communiquant. Notamment, 36 patients sur 38 dans un état de conscience minimale ont montré une complexité élevée, démontrant la sensibilité sans précédent de l'ICP en tant que marqueur objectif de la conscience.

Enregistrements TMS-EEG en direct du cerveau du sujet témoin pendant l'expérience.

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Mais neuf des 43 patients précédemment considérés comme totalement inconscients ont également obtenu un score au-dessus de la ligne. Cela soulève des questions difficiles. Sans autre moyen de prouver leur conscience et aucun moyen de communiquer, ces patients représentent soit l'échec de PCI, soit sa promesse terrifiante. Leur zap-ZIP les réponses étaient de qualité similaire à celles des personnes ayant une conscience minimale, ainsi que des personnes conscientes lorsqu'elles sont éveillées, en train de rêver ou recevant une dose de kétamine. Et en fait, six mois après le test, six de ces patients se sont améliorés au point d'être classés comme peu conscients. Quelqu'un, semble-t-il, était là après tout.

Ces dernières années, les chercheurs du groupe de Massimini ont eu l'opportunité de stimuler des neurones et d'enregistrer l'activité cérébrale à partir d'électrodes insérées temporairement dans le cerveau de patients opérés pour épilepsie. Ces mesures ont révélé une mécanisme intéressant par lequel PCI peut s'effondrer après une lésion cérébrale , entraînant une perte de conscience. Les circuits neuronaux qui sont physiquement épargnés par la lésion peuvent entrer dans un mode semblable au sommeil, laissant tout le cerveau incapable de générer des modèles complexes d'interactions.

Une telle intrusion d'activité neuronale semblable au sommeil peut n'être que temporaire chez certains patients, qui finiront par reprendre conscience, mais peut persister chez d'autres qui restent bloqués dans un état de faible complexité, correspondant à un état végétatif prolongé, explique Massimini. Et cela, pense-t-il, pourrait justifier le développement de nouveaux traitements pour réveiller les circuits cérébraux et restaurer la conscience.

L'ICP pourrait être raffinée sous la forme d'autres moyens de perturber le cerveau, comme les ultrasons focalisés ou la lumière laser ciblée. Ou la technologie pourrait être améliorée grâce à une meilleure résolution spatio-temporelle, ou même à un balayage automatisé et à des calculs informatiques de l'endroit où la complexité est maximisée dans un cerveau endommagé.

Massimini est clair que dans sa forme actuelle, le PCI ne peut pas dire grand-chose sur la qualité ou le degré de conscience - juste s'il est là ou non. Et il voit le seuil de 0,31 comme une mesure clinique d'un état flou - ce n'est pas le cas qu'à 0,30 il n'y a rien du tout et qu'à 0,32 la conscience apparaît en pleine forme. Vous pouvez avoir un score PCI élevé, dit-il, et cela ne fait même pas de différence que vous soyez en train de rêver ou éveillé. De toute évidence, une partie de l'image manque.

Percer

Mais Angela Comanducci, une neurophysiologiste clinique qui est passée par le laboratoire de Massimini pendant sa formation et qui supervise maintenant l'aile de 13 lits de Gnocchi consacrée aux troubles de la conscience, a déjà observé de première main la puissance clinique de l'ICP. En juin 2020, une femme de 21 ans a été amenée dans le service deux mois après avoir subi un traumatisme crânien après avoir été battue. Chaque test de diagnostic clinique, expérimental et établi, n'a montré aucun signe de conscience, m'a dit Comanducci. La situation était si grave qu'on avait dit à la famille de la patiente de s'attendre à ce qu'elle reste dans un état végétatif irréversible.

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Mais lorsque Comanducci et son équipe ont branché la femme à l'encombrant appareil TMS-EEG utilisé pour mesurer son PCI, ils ont été surpris par ce qu'ils ont vu. En quelques secondes, j'ai pu voir sur l'écran qu'elle était là, a déclaré Comanducci. Le PCI qu'ils ont calculé plus tard dans la journée était élevé - reflétant une réponse EEG de haute complexité à la stimulation TMS - et compatible avec un état de conscience minimale.

Au cours des semaines suivantes, ils ont déplacé manuellement les doigts, les bras et les jambes de la patiente, essayant de redémarrer son cerveau comme vous pourriez démarrer un vieil avion en faisant tourner son hélice. Ils lui parlaient comme si elle écoutait, essayant de déclencher une réponse - un soupir, peut-être, ou le moindre mouvement vertical de ses yeux. Et ils ont administré un médicament appelé amantadine, dans l'espoir de réveiller des parties du cerveau qu'ils soupçonnaient d'être intactes mais dans un état qui ressemblait à un sommeil protecteur.

J'ai dit à mon équipe de rééducation : 'Maintenant, vous devez être des détectives', se souvient Comanducci. ‘Cherchez partout et trouvez-la !’

Environ un mois plus tard, ils l'ont retrouvée.

D'un mouvement millimétrique d'un seul doigt, la femme ouvrit un fragile portail de communication vers le monde extérieur. Avec la pratique, elle a appris à bouger plus de doigts, se taillant un système avec lequel elle pouvait répondre à des questions simples.

Russ Juskalian est un écrivain et photographe indépendant dont le travail est paru dans Découvrir , Smithsonien , et le New York Times.