Probing the (Un)Conscious Brain : EEG and PET Studies on Healthy Human Subjects Using Propofol, Dexmedetomidine and Natural Sleep

Abstract

Consciousness cannot be objectively measured. By employing anesthesia and neurophysiologic measurements to study human consciousness, unconsciousness has been found to associate with suppression of regional brain activity and with breakdown of communication between different brain areas. However, due to conceptual and methodological heterogeneity, a unified theory on the “mechanisms” of (un)consciousness is lacking. Many anesthesia studies have employed arbitrary dosing schemes and disregarded the pharmacologic effects of the used drugs. Thus, many inferences on human consciousness have been premature. The aim of this study was to use rigorous experimental protocols to study human consciousness in healthy subjects. Two anesthetics (propofol and dexmedetomidine) and natural sleep were used. First, we explored EEG changes in association to different states of consciousness during increasing doses and a steady-state infusion of two anesthetics. Second, by measuring N400 event related potentials, we explored whether or not sematic processing persists during an unresponsive state induced by the two drugs. Finally, positron emission tomography (PET) imaging was conducted to reveal brain activity alterations between connected and disconnected states (confirmed by subjective reports of mental content) induced by anesthesia and sleep. Based on EEG and PET findings, we discovered that the state-related changes were distinct and separable from the overall effects of the different interventions. At awakening from steady-state anesthesia, spectral EEG patterns only partially reverted towards baseline values despite a restored conscious state, illustrating the multifaceted nature of anesthesia-EEG. PET imaging revealed that activity of a core brain network correlated best to the connected state per se. Furthermore, unresponsiveness and sleep rarely depicted unconsciousness (i.e., complete absence of subjective experiences) and semantic processing was partly preserved during dexmedetomidine-induced unresponsiveness. This study highlights the multidimensional nature of human consciousness and the related experimental challenges.

Tietoisuutta ei voi mitata objektiivisesti. Anestesia- ja neurofysiologiset tutkimukset ovat osoittaneet tajuttomuuden liittyvän eri aivoalueiden aktiivisuuden vaimenemiseen sekä niiden välisten yhteyksien heikkenemiseen. Käsitteellisen ja metodologisen monimuotoisuuden vuoksi yhtenäinen tajuttomuuden ”mekanismi” on kuitenkin vielä löytämättä. Monissa anestesiatutkimuksissa lääkkeiden annostelu on umpimähkäistä ja lääkkeiden farmakologiset vaikutukset on jätetty huomiotta. Näin ollen monet johtopäätökset tietoisuudesta ovat olleet ennenaikaisia. Tämän työn tavoitteena oli käyttää tarkkoja koeasetelmia ja terveitä koehenkilöitä ihmisen tietoisuuden tutkimiseen. Tutkimuksessa käytettiin kahta anestesia-ainetta (propofoli ja deksmedetomidiini) sekä luonnollista unta. Ensimmäiseksi tutkimme aivosähkökäyrämuutoksia eri tajunnantiloissa nousevien ja tasaisten lääkepitoisuuksien aikana. Toiseksi tutkimme aivojen kielellistä prosessointia (N400 herätevasteet) kahdella lääkkeellä aiheutetun reagoimattoman tilan aikana. Lopuksi, aivojen aktiivisuusmuutoksia tutkittiin positroniemissiotomografia (PET) - kuvauksilla, erityisesti vertaamalla kytkeytyneitä sekä lääkkeellisesti ja fysiologisesti aiheutettuja irtikytkeytyneitä tiloja keskenään. Tajunnantilat varmistettiin subjektiivisin haastatteluin. EEG ja PET tulokset osoittivat että tajunnantilan vaihteluun liittyvät aivotoiminnan muutokset ovat erillisiä ja eroteltavissa eri interventioiden kokonaisvaikutuksista. Koehenkilön herättäminen tasaisen lääkeannostelun aikana palautti vain osittain EEG:n spektrimuutokset, ja tämä osoittaa anestesia-EEG:n moniulotteisen luonteen. PET-kuvaukset osoittivat että aktiivisuusmuutokset aivojen syvien rakenteiden verkostossa korreloivat parhaiten tajunnantilan vaihteluun. Lisäksi, reagoimaton tila ja luonnollinen uni merkitsi vain harvoin tajuttomuutta (subjektiivisten kokemusten puuttumista). Kielellinen prosessointi säilyi osittain deksmedetomidiinin aiheuttaman reagoimattomuuden aikana. Tutkimuksemme havainnollistaa ihmisen tietoisuuden moniulotteisuuden ja kokeellisen tietoisuustutkimuksen sudenkuopat.