Forschung an der Grenze des Bewusstseins

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1 Forschung an der Grenze des Bewusstseins Priv.-Doz., Dr. Manuel Schabus *+ *Abteilung Physiologische Psychologie, Universität Salzburg + Cyclotron Research Center, Université de Liège

2 Überblick I. Hintergrund II. Stand der Forschung i. Experimentelle/Kognitive Paradigmen ii. Schlaf-Befunde III. Aktuellen Versuchsreihen i. Studiendesign ii. Ergebnisse IV. Diskussion & Zusammenfassung

3 I. Forschungsziel Verbesserung der Differenzierung der verschiedenen Wachkoma- Zustände (diagnostische Relevanz) Prognostische Relevanz der erhobenen PSG-Daten im 24h Verlauf, sowie der EEG-Daten whd. kognitiver Paradigmen Positive Indikatoren (to date): Valente et al., 2002 Chelout-Heraut et al., 2001 Evans & Bartlett, 1995 D Aleo et al., 1994

4 BEWUSSTSEIN WAKEFULNESS «AWARENESS»? Wakefulness--depends principally on the functioning of reticular activating system in the brainstem. NREM Sleep--depends on the basal forebrain. REM Sleep--depends on the dorsolateral pontine tegmentum.

5 Die Wachkoma- Zustände NORMAL CONSCIOUSNESS COMA VEGETATIVE STATE MINIMALLY CONSCIOUS STATE AROUSAL AWARENESS AROUSAL AWARENESS AROUSAL AWARENESS AROUSAL AWARENESS Behavioral assessment remains the gold standard to monitor level of consciousness in patients with DOC.

6 Probleme der klinischen Beurteilung Beurteilung über das Verhalten ist inhärent problematisch FEHLDIAGNOSE - Schwankungen d. Wachheit - Motorische Einschränkungen - Unzureichende Expertise im assessment - Insensitive Verhaltensskalen Neurokognitive Methoden wie EEG und/oder fmri als mögliche Alternative!

7 II. Stand der Forschung Patienten im Koma, VS, MCS, locked-in : Schwerwiegendes diagnostisches, prognostisches und therapeutisches Problem Ca. 1/3 VS Patienten zeigen u.u. doch Zeichen von Bewusstsein (e.g., Owen et al., 2006; Perrin et al., 2006)

8 II. Stand der Forschung Schlaf-Wach-Zyklus und spezielle Schlafmuster wahrscheinlich beeinträchtigt Erhöhte Schlaffragmentierung Vermuteter prognostischer/diagnostischer Wert von Schlafarchitektur und Schlafmustern (wie etwa Schlafspindeln)

9 Der Schlaf

10 Einteilung der Schlafstadien Schlafspindel (12-15Hz bursts ) die den Einschlafzeitpunkt markieren und mit dem Abschalten des Wach-Bewusstseins einhergehen

11 Slow Spindles Spindles CONJUNCTION Fast Spindles Response Amplitude (a.u.) Time (seconds) Response Amplitude (a.u.) Response Amplitude (a.u.) Response Amplitude (a.u.) Time (seconds) Time (seconds) Time (seconds) 0.3 Response Amplitude (a.u.) a Ab Bc d Time (seconds) z = 6 x = -6 x = -4 x = -36 f g e h z = 8 x = -10 x = -6 x = -36 j i k l D E x = z = 6 x = -10 x = Time (seconds) Time (seconds) Time (seconds) Time (seconds) Schabus, M., et al. (2007). Hemodynamic cerebral correlates of sleep spindles during human non-rem sleep. Proceedings of the National Academy of Sciences USA, 104(32),

12 Memory Related Areas Hippocampus Precentral Gyrus 0.2 Response Amplitude (a.u.) Time (seconds) Response Amplitude (a.u.) Mesial Prefrontal Cortex Time (seconds) Nishida & Walker, PLoS One, Time (seconds) Postcentral Gyrus Time (seconds) Schabus et al., PNAS, 2007

13 Spindeln und thalamo-kortikale Vernetzung Fast Spindles (>13 Hz) General Cognitive Ability ( g ) measured with Raven s Advanced Progressive Matrices (APM) Spindle Activity (C3) APM Groups High Medium Low 15 Control Night Learning Night Schabus, M. et al. (2006). Sleep spindle-related activity in the human EEG and its relation to general cognitive and learning abilities. European Journal of Neuroscience, 23(7),

14 Aktueller Forschungsstand: Kognitive Verarbeitung in veränderten Bewusstseinszuständen

15 Eigennamen Verarbeitung im Gehirn Sequenz von 8 Vornamen: der Eigenname und 7 unbekannte Vornamen Manuel Simon Patrick Hector Manuel Victor Partiell erhaltene semantische Verarbeitung kann in MCS/VS nachgewiesen werden: P3 response Perrin, Schnakers, Schabus et al, Arch Neurol, 2006

16 Paradigmenwechsel Aktive Paradigmen mit Instruktionen VS Owen, Coleman, Boly, Davis, Laureys & Pickard (Science, 2006)

17 Aktives EEG Paradigma (extended analyses from Schnakers, Perrin, Schabus et al., 2008) 12 controls (CO) 13 minimally conscious patients (MC) 8 vegetative state patients (VS) Event-related theta synchronisation (ERS) auf gezählte Eigennamen vs. andere Vornamen sogar in VS Patienten, jedoch verzögert!! Fellinger,.., & Schabus(2011)

18 Aktives EEG Paradigma (extended analyses from Schnakers, Perrin, Schabus et al., 2008) p <.001 p<.021 n.s. Aktives Zählen des Eigennamens führt zu höherer theta ERS als diesen nur passiv zu hören: in CO und MCS. Fellinger,.., & Schabus(2011)

19 III. Letzte Versuchsreihe Polysomnographie mit (i) Motorimagination und (ii) Sprachverständnis Aufgaben am Beginn/Ende (vgl. Owen et al., 2006; Schnakers et al., 2008) Ca. 35 min 24 Stunden Ca. 35 min Motor Imagination & Sprachverständnis PSG Schlaf/Wach- Zyklen Eigennamen & Sprachverständnis Paradigmen

20 EEG + PSG Aufnahmezeitpunkte EEG + Polysomnographie 1. Erhebung (möglichst akut) 2. Erhebung der kognitiven Paradigmen (nach etablierter Diagnose) Weitere Erfassungen nach jeder bedeutsamen Entwicklung (Koma VS, VS MCS) bzw. nach 6 Monaten

21 Polysomnographie 20 Kanäle EEG, 4 EOG, 2 ECG, 4 EMG, Respirationsgürtel an Brust Applikation: Nuprep Gel, EC2 Elektroden Paste, u. Kollodion Verhaltensskalen: CRS-R vor und nach PSG

22 Probleme in der Durchführung Aufnahmen ohne Medikation (vegetative Reaktionen der Patienten) Aufnahme nur von ruhigen Patienten möglich Überschneidung mit Pflegetätigkeiten, Physioth.,... Störung durch Mitpatienten (Geräusche, oder TV) Flukturierende Aufmerksamkeits-Niveaus und Müdigkeit durch langwierige Elektroden Plazierung und Paradigmen Problem der qualifizierten und wiederholten (cross-validierten) CRS-R Diagnose

23 Erste Ergebnisse Vom Schlaf Kohärent finden sich Spindeln, sowie SWS-REM Abfolgen nur in MCS Patienten (cf. Schabus & Cologan et al., in preparation)

24 VS/UWS without SWS, REM, Spindles, Circadian Rhythm MCS with SWS, REM, Spindles and high arousal index

25 Preliminary DOC- Sleep- Results Sleep architecture appears more complex in MCS than VS/UWS: REM Sleep and Sleep Spindles are indicative of the diagnosis.

26 Brandneue Ergebnisse zu den kognitiven Paradigmen

27 Task design: Motor observation and imagination Topographic ERS/ERD distribution during video observation ( ms) Results: L-Alpha ERD SMR ERS/ERD (a) Theta band (4-7Hz) activation; also MCS patients. (b) Lower alpha band (8-10Hz) desynchronization; similar in MCS patients (c) While SMR (12-15Hz) frequency desynchronizes in control subjects, MCS patients synchronize. Lechinger et al. (2012)

28 Motorimagination Einzelpatienten Ergebnisse Theta band (video onset) L-Alpha band (video observation) L-Alpha band (imagination period)

29 - Linguistisches Paradigma Antonyme - Das Gegenteil von X ist Y. F3 Fz F4 Schwarz - weiß Schwarz - gelb Schwarz - nett C3 Cz C4 P3 Pz P4 Roehm et al. (2007). Journal of Cognitive Neuroscience, 19:8, µv s (A) Antonyms (B) Related (C) Non-related

30 Konnektivität für Antonyme Sätze VS Kohärenz MCS Kohärenz Theta Theta Es zeigen sich stärkere longdistance Konnektivitäten auf das kritische Zielwort in MCS Patienten. Alpha Alpha Beta Beta Schabus et al. (2011)

31 Zusammenfassung Schlafmuster scheinen zwischen MCS & VS zu differenzieren ( Indikator intakter Gehirnvernetzung) Residuelle kognitive Verarbeitung soll mittels EEG identifiziert werden ( instruction following in MCS). Einzelpatient Aussagen hoch-relevant jedoch sehr schwer realisierbar ( signal to noise ratios ) Ziel ist weitere Verfeinerung der EEG-Paradigmen und Analysen um die klinischen Diagnose & Prognose auf Einzelpatienten Niveau zu unterstützen (Eingereichte Forschungsanträge bei Akademie d.wissenschaften & FWF)

32 Dank an die klinischen Partner! Albert-Schweitzer-Klinik (OA Dr. Pichler, Graz) Apalliker Care Unit des Geriatriezentrums am Wienerwald (Prim. Dr. Donis, Wien)

33 Team Laboratory for Sleep, Cognition and Consciousness Research Dr., Priv.-Doz. Manuel Schabus Dr. Kerstin Hödlmoser Mag. Hermann Griessenberger Mag. Dominik Heib Mag. Julia Lechinger Mag. Nicole Chwala Małgorzata Wisłowska Tina Möckl Marit Petzka Nikolina Luketina

34 Danke für Ihre Aufmerksamkeit!