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Le mystère derrière l'anesthésie
Cartographier la façon dont nos circuits neuronaux changent sous l'influence de l'anesthésie pourrait faire la lumière sur l'une des énigmes les plus déroutantes des neurosciences : la conscience. 20 décembre 2011
Un écran vidéo montre un homme d'une soixantaine d'années allongé éveillé sur une table d'opération. Juste à l'extérieur du champ de vision de la caméra, un médecin déplace son doigt devant le visage de l'homme, lui demandant de le suivre d'avant en arrière avec ses yeux. Quelques secondes plus tard, après une dose du puissant anesthésique propofol, ses paupières commencent à tomber. Puis ses pupilles s'arrêtent de bouger. Seul le bip continu du moniteur cardiaque rappelle que l'homme n'est pas mort. Il est dans le coma, explique le médecin Emery Brown. L'anesthésie générale est un coma réversible d'origine médicamenteuse.
En tant qu'anesthésiste au Massachusetts General Hospital (MGH), Brown est le témoin constant de l'un des exploits les plus profonds et les plus mystérieux de la médecine moderne. Chaque jour, près de 60 000 patients aux États-Unis subissent une anesthésie générale, ce qui leur permet de survivre même aux opérations les plus horribles, inconscientes et sans douleur.
Cette histoire faisait partie de notre numéro de janvier 2012
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Mais bien que les médecins mettent les gens sous anesthésie depuis plus de 150 ans, ce qui se passe dans le cerveau pendant l'anesthésie générale est un mystère. Les scientifiques ne savent pas grand-chose sur la mesure dans laquelle ces médicaments puisent dans les mêmes circuits cérébraux que nous utilisons lorsque nous dormons, ou en quoi l'anesthésie diffère des autres façons de perdre conscience, comme tomber dans le coma après une blessure. Certaines parties du cerveau s'arrêtent-elles vraiment ou cessent-elles simplement de communiquer entre elles ? En quoi l'anesthésie est-elle différente d'un état d'hypnose ou de méditation profonde ? Et que se passe-t-il dans le cerveau lors de la transition entre la conscience et l'inconscience ? Nous savons que nous pouvons vous faire entrer et sortir de cela en toute sécurité, dit Brown, mais nous ne pouvons toujours pas vous dire comment cela fonctionne.
Brown, qui est également neuroscientifique et professeur au MIT, vise à transformer l'anesthésie d'un outil uniquement clinique en un instrument puissant pour étudier les questions les plus fondamentales sur le cerveau. Comprendre ce qui arrive au cerveau sous les médicaments anesthésiques, pense-t-il, contribuera à rendre l'anesthésie plus sûre et plus efficace, avec moins d'effets secondaires. Cela pourrait également conduire à de nouveaux traitements pour le coma et d'autres affections cérébrales, ainsi qu'à des éclaircissements sur des questions fondamentales en neurosciences, y compris la nature de la conscience elle-même. L'anesthésiologie est une forme de neuroscience, explique George Mashour, anesthésiste et neuroscientifique à l'Université du Michigan. Et ce que nous faisons quotidiennement, c'est moduler pratiquement tous les aspects du système nerveux.
DU CHATTER AU CHANT
Les neurosciences ont souvent bénéficié d'expériences naturelles - des patients qui perdent leur capacité de se souvenir, de produire un langage ou de réguler leurs émotions après que des parties de leur cerveau ont été endommagées ou ont dû être enlevées chirurgicalement. Les anesthésistes président chaque jour une expérience analogue : ils voient disparaître des éléments de la conscience. Sous anesthésie générale, par exemple, les patients perdent la perception de la douleur, la conscience, la mémoire et la capacité de se déplacer. Un anesthésiste peut influencer chacun de ces changements de différentes manières en faisant varier les dosages et les types de médicaments utilisés.
En supprimant différentes fonctions que nous associons à la conscience, dit Brown, nous pourrions peut-être commencer à reconstituer les pièces du puzzle. Les neuroscientifiques pourraient commencer à faire pour la conscience ce qu'ils ont fait avec la mémoire et le langage.
Brown fait partie d'un groupe restreint mais croissant de chercheurs en anesthésiologie qui utilisent l'électroencéphalogramme (EEG), un outil de surveillance de l'activité électrique du cerveau, pour sonder systématiquement chaque aspect de l'anesthésie chez les humains et les animaux. Les moniteurs cérébraux basés sur l'EEG sont déjà monnaie courante dans les salles d'opération ; certains anesthésistes suivent l'activité cérébrale de leurs patients avec des moniteurs disponibles dans le commerce qui utilisent des algorithmes pour transformer les signaux EEG en indices bruts. (D'autres ne suivent que les signes physiques tels que la fréquence cardiaque et les niveaux d'oxygène dans le sang.) Mais peu d'entre eux, dit-il, passent du temps à examiner les données EEG brutes.
Brown, cependant, a une perspective différente de la plupart des anesthésistes; il est aussi statisticien. Après avoir obtenu à la fois un doctorat en médecine et un doctorat de Harvard à la fin des années 1980, il a poursuivi les deux voies séparément, travaillant dans les salles d'opération de l'HGM tout en dirigeant un laboratoire de recherche axé sur le développement d'algorithmes de traitement du signal pour extraire des informations à partir de données biologiques.
Brown n'a pas apprécié les expériences de neurosciences qui se déroulent devant lui chaque jour pendant la chirurgie jusqu'à ce qu'un de ses collègues suggère de faire une étude sur des patients anesthésiés. En regardant le processus se dérouler, vous commencez à réaliser que certaines parties du cerveau ne s'arrêtent pas toutes en même temps, dit-il. Il y a une hiérarchie, il y a une gradation.
La même chose est vraie lorsque les médicaments s'estompent. En règle générale, les fonctions cérébrales les plus élémentaires reviennent en premier : la respiration revient, puis, à mesure que les zones du tronc cérébral contrôlant la salivation et les canaux lacrymaux se rétablissent, la bouche des patients se remplit de salive et leurs yeux larmoyants. Ils avalent et toussent au fur et à mesure que les zones contrôlant la sensation de la gorge deviennent actives. Enfin, leurs yeux bougent, puis ils répondent au monde extérieur. Plus tard, la somnolence s'atténuera et les fonctions cérébrales complexes reprendront. Lorsque vous faites attention et que vous regardez ces transitions, c'est tout simplement incroyable, dit Brown. Nous serions vraiment négligents si nous n'avancions pas ensuite et n'essayions pas de comprendre quels sont ces états, ce qui se passe réellement dans le cerveau, puis de réfléchir à de nouvelles façons d'améliorer le processus d'anesthésie.
L'une des choses qui a frappé Brown en regardant les EEG de ses patients est la rapidité et la rapidité avec lesquelles des médicaments comme le propofol peuvent altérer l'activité cérébrale. Au fur et à mesure que les patients entrent dans un état anesthésié, le schéma normal des ondes de faible intensité mais à haute fréquence passe à l'une des impulsions moins fréquentes mais plus intenses, comme si le bavardage constant du cerveau avait cédé la place à un chant. L'emplacement de l'activité se déplace de l'arrière du cerveau vers l'avant. Bien qu'il soit possible d'amener les patients dans un état d'inconscience si profond que leur EEG est essentiellement plat, dans la plupart des cas, des sursauts d'activité EEG alternent avec des périodes d'inactivité relative qui peuvent durer des minutes. Les processus cérébraux semblent très organisés, dit-il. Il existe des modèles très réguliers dans le temps et des modèles très réguliers dans l'espace.
Cartographier l'inconscient : Ce spectrogramme montre des enregistrements EEG d'un patient subissant une anesthésie générale. Deux doses d'anesthésique intraveineux propofol provoquent des poussées d'activité (septième minute). Ensuite, un anesthésique inhalé, l'isoflurane, est ajouté, et à la minute 14, un schéma caractéristique d'oscillations lentes et alpha commence. La chirurgie se termine à la 16e minute et l'isoflurane est coupé. L'EEG passe progressivement à des oscillations à haute fréquence et moins intenses.
Brown dit que certains médicaments diminuent la fréquence des ondes cérébrales observées dans les lectures EEG, ce qui entraîne des ondes oscillantes lentes et régulières sur de grandes zones du cerveau. D'autres médicaments provoquent des oscillations rapides et régulières de certaines zones. Étant donné que les anesthésistes donnent généralement un cocktail de médicaments à chaque patient, ces effets peuvent se produire simultanément. Le résultat, dit Brown, est comme un signal brouillé : de toute façon, [les différentes parties du cerveau] ne peuvent pas communiquer.
Au cours des dernières années, d'autres études EEG ont soutenu l'idée que l'anesthésie ne se contente pas de fermer le cerveau mais, plutôt, interfère avec sa communication interne. Les recherches de Mashour, par exemple, ont montré que la rétroaction entre l'avant et l'arrière du cerveau est interrompue pendant l'anesthésie générale, entraînant une déconnexion entre les différents réseaux cérébraux. Cette rétroaction est considérée comme importante pour la conscience.
De même, Anthony Hudetz, anesthésiste au Medical College of Wisconsin à Milwaukee, affirme que l'anesthésie n'éteint pas simplement les sens. Hudetz administre une anesthésie à des volontaires humains à des niveaux inférieurs aux niveaux cliniques pour observer leur cerveau alors qu'ils tombent dans l'inconscience. Ce que nous trouvons, c'est que le cerveau anesthésié est toujours très réactif aux stimuli, dit-il ; L'EEG et l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), une méthode indirecte de mesure de l'activité cérébrale, montrent une réponse à la lumière et aux sons. Mais d'une manière ou d'une autre, cette information sensorielle n'est jamais traitée et intégrée dans le type d'activité nécessaire à la prise de conscience.
Une meilleure compréhension de ces changements pourrait ouvrir la voie à de nouveaux traitements pour les lésions cérébrales et d'autres troubles. Les schémas d'oscillations hautement structurées chez les patients recevant des médicaments anesthésiques sont similaires aux états observés chez les personnes qui perdent connaissance lors de crises d'épilepsie ou qui sont dans un coma profond. Et la semi-conscience qui résulte de faibles doses de médicaments ressemble à un état de veille ordinaire ou aux premiers stades de l'endormissement. Mais déterminer exactement comment et pourquoi ces modèles sont liés nécessitera un examen plus approfondi.
CARTOGRAPHIE DE LA RUPTURE DE LA COMMUNICATION
Afin de vraiment comprendre si la communication entre les différentes zones du cerveau s'est rompue, les scientifiques ont besoin d'un moyen de cartographier l'activité de ces régions et les interactions entre elles avec plus de détails dans l'espace. Pour cela, ils se tournent vers l'IRMf, qui mesure les modifications du flux sanguin associées à l'activité neuronale. (voir Raising Consciousness , janvier/février 2007) .
En collaboration avec le bio-ingénieur Patrick Purdon et d'autres collègues de l'HGM, Brown a développé un moyen de prendre simultanément des enregistrements EEG et d'effectuer des IRMf sur des patients lorsqu'ils entrent dans un état profondément anesthésié. L'imagerie cérébrale chez des sujets humains subissant une anesthésie est délicate car elle nécessite d'anesthésier les personnes à l'intérieur d'un scanner et en dehors d'une salle d'opération normale. Brown et ses collègues ont trouvé un moyen de résoudre les problèmes techniques et de sécurité : ils ont recruté des volontaires qui avaient déjà subi des trachéotomies, ou des trous chirurgicaux dans la gorge. Cela signifiait qu'un tube pouvait facilement être utilisé pour rétablir leur respiration en cas d'urgence. En 2009, les chercheurs ont démontré qu'ils pouvaient enregistrer en toute sécurité les données EEG et IRMf sur les personnes sous anesthésie ; maintenant, ils travaillent à corréler les données d'imagerie et d'EEG avec les changements observables observés lorsque les patients entrent dans un état anesthésié.
Brown travaille également avec Purdon pour étudier des patients épileptiques qui ont eu des électrodes implantées dans leur cerveau pendant plusieurs jours afin que les cliniciens puissent enregistrer et localiser les crises. Lorsque les patients subissent une intervention chirurgicale pour retirer les zones cérébrales identifiées comme des sites de crise, les électrodes enregistrent les ondes cérébrales lors de l'administration de l'anesthésie. Ces électrodes collectent des données sur une partie beaucoup plus petite du cerveau que l'EEG ou l'IRMf, mais la résolution est beaucoup plus élevée, permettant aux scientifiques d'avoir une idée de ce qui se passe dans le cerveau au niveau cellulaire lorsque le patient est anesthésié. Des études de suivi sur des animaux pourraient fournir encore plus de détails en permettant aux chercheurs d'implanter des électrodes plus largement et à des endroits précis. Les chercheurs seront en mesure de documenter, à partir du cerveau lui-même, comment l'activité change à mesure que le cerveau entre et sort de la conscience.
ASSEMBLER LA CONSCIENCE
Si vous pouvez cataloguer systématiquement comment le cerveau perd connaissance sous l'influence de médicaments anesthésiques, pouvez-vous en déduire en quoi consiste la conscience ?
Brown s'empresse de souligner qu'il n'étudie pas explicitement la conscience ; c'est un problème compliqué, et de nombreux neuroscientifiques évitent le mot même. Son approche consiste à étudier ce qu'il appelle les états altérés d'excitation. Ceux-ci incluent l'anesthésie, le sommeil, le coma, l'hypnose et la méditation, ainsi que des aspects de troubles comme la schizophrénie, l'épilepsie et la maladie de Parkinson. Il pense que comprendre comment le cerveau fonctionne lorsqu'il s'écarte de son état de conscience normal fera inévitablement la lumière sur ce qu'est la conscience.
Des études en anesthésie ont déjà mis en doute une théorie populaire, qui lie la conscience à un type particulier d'onde cérébrale avec une fréquence d'environ 40 hertz. Mashour souligne que la recherche en anesthésie montre que ces ondes peuvent exister même lorsque les patients sont inconscients. Mais les schémas que voient les anesthésistes soutiennent une autre théorie : cette conscience émerge de l'intégration d'informations à travers de grands réseaux dans le cerveau. Hudetz dit que même si différents médicaments ont des structures chimiques différentes et des effets différents, tels que le blocage de la mémoire ou la sédation du cerveau, si nous donnons l'un de ces médicaments à une dose suffisamment élevée, à un moment donné, ils suppriment la conscience. Comment pouvons-nous obtenir ce point final commun par une telle variété de médicaments agissant par le biais de différents mécanismes moléculaires ? Une explication est que parce que la conscience naît de l'interaction complexe de nombreux types d'activités, elle peut être perturbée de différentes manières.
Brown espère que les enseignements tirés de ce travail pourront se répandre dans d'autres domaines. En savoir plus sur le fonctionnement du cerveau sous anesthésie pourrait aider les chercheurs à détecter l'activité cérébrale chez les personnes en état végétatif, révélant qu'elles peuvent percevoir plus qu'on ne le pensait auparavant. Les anesthésiques plus sûrs qui pourraient émerger de la recherche pourraient être utiles en médecine du sommeil, et les moyens de raviver la fonction cognitive chez les patients anesthésiés pourraient donner lieu à des stratégies pour aider à sortir les gens du coma. La kétamine, un anesthésique couramment utilisé, s'est révélée prometteuse en tant que traitement de la dépression ; d'autres médicaments anesthésiques pourraient également s'avérer avoir des effets qui se prêtent au traitement des maladies psychiatriques. L'étude de la perte de conscience en anesthésie n'éclairera pas seulement la nature de l'esprit conscient, mais fera sortir ces états de conscience atténuée ou altérée de l'ombre.
Courtney Humphries est un écrivain scientifique et l'auteur de Superdove : Comment le pigeon a pris Manhattan... et le monde .