De neuronale correlaten van het bewustzijn

FACULTEIT GENEESKUNDE EN
GEZONDHEIDSWETENSCHAPPEN
Academiejaar 2010 - 2011
De neuronale correlaten van het bewustzijn
Julie VANCAILLIE
Promotor: Prof. Dr. Van Roost
Scriptie voorgedragen in de 2de Master in het kader van de opleiding tot
MASTER IN DE GENEESKUNDE
1
Inhoudstafel
1.
Abstract
2.
Inleiding
2.1
Wat is bewustzijn?
2.1.1
Bewustzijn als wakkere toestand
2.1.2
Bewustzijn als ervaring
2.1.3
Uitgebreid bewustzijn
2.2
Hoe kan het bewustzijn gemeten worden?
2.2.1
Gedragsmetingen
2.2.2
Hersenmetingen
2.2.2.1 Elektro-encefalografische metingen
2.2.2.2 Functionele beeldvorming
2.3
Hoe kunnen de neuronale correlaten van het bewustzijn bestudeerd worden?
3.
Methodologie
4.
Resultaten
4.1
Toestanden van veranderd bewustzijn
4.1.1
Slaap
4.1.2
Meditatie
4.1.2.1 Gerichte aandacht meditatie
4.1.2.2 Open monitoring meditatie
4.1.3
Hypnose
4.1.3.1 Intrinsieke studies
4.1.3.2 Instrumentele studies
4.1.4
Pathologische toestanden van verminderd bewustzijn
4.1.4.1 Coma
4.1.4.2 Vegetatieve toestand (VS) en minimaal bewuste toestand (MCS)
4.1.4.2.1
Definitie
4.1.4.2.2
Diagnose, prognose en behandeling
4.1.4.2.3
Studie van de hersenen bij VS en MCS
4.1.4.2.4
Slaap in de vegetatieve toestand
4.2
Neuronale correlaten van het bewustzijn (NCC)
4.2.1
Een lokalisatie voor de NCC
4.2.1.1 Het thalamocorticaal netwerk
4.2.1.2 Multimodale associatieve cortex
4.2.2
Bewustzijn en neuronale dynamica
4.2.2.1 Onderhouden versus fasische activiteit
2
4.2.2.2 Terugkerende of vooruitgaande activiteit
4.2.2.3 Synchronisatie en oscillaties
4.2.3
Bewustzijn vanuit een theoretisch perspectief
4.2.3.1 Bewustzijn als geïntegreerde informatie
4.2.3.1.1
Theorie
4.2.3.1.2
Metingen
4.2.3.1.3
Lokalisatie en neurofysiologische processen
4.2.3.1.4
Omstandigheden met een verminderd bewustzijn
4.2.3.1.5
Implicaties
4.2.3.2 De globale werkruimte theorie
4.2.3.3 Fenomenologisch en toegang NCC
4.2.3.4 Intrinsieke hersenactiviteit
4.2.3.5 Single-neuron theorie
4.3
Zelfbewustzijn en de neuronale correlaten van het zelfbewustzijn
4.3.1
Wat is zelfbewustzijn?
4.3.2
De neuronale correlaten van het zelfbewustzijn
5.
Discussie
6.
Referenties
3
1. Abstract
Het bewustzijn houdt de mens reeds lange tijd bezig. Uitgebreid onderzoek wordt besteed aan het
uitzoeken van enerzijds de precieze betekenis ervan en anderzijds hoe het ontstaat in de hersenen. Hier
wordt getracht de huidige vorderingen weer te geven van dit bewustzijnsonderzoek. Eerst wordt dieper
ingegaan op de betekenis en definitie van het menselijk bewustzijn. Tot op heden bestaat nog geen
bevredigende en universeel aanvaarde definitie van het bewustzijn.1 Vaak wordt daarom het
bewustzijn onderverdeeld in waakzaamheid enerzijds, en besef van de omgeving en zichzelf
anderzijds. 2,3,4 Aangezien men nog niet met zekerheid weet hoe het bewustzijn ontstaat in de hersenen,
kan het nog niet eenduidig gemeten worden. Toch kan men gebruik maken van zowel
gedragsmetingen als hersenmetingen om een idee te krijgen van het bewustzijn van een systeem.
Vervolgens wordt besproken hoe men op zoek kan gaan naar de mogelijke neuronale correlaten van
het bewustzijn. Hoe het bewustzijn ontstaat in de hersenen is op dit moment nog niet gekend.2 Toch is
het nu algemeen aanvaard dat bewustzijn volledig gerelateerd is aan neuronale activiteit, en daarom
net zoals elke andere hersenfunctie open staat voor wetenschappelijk onderzoek.4
Heel belangrijk in het bewustzijnsonderzoek is het bestuderen van situaties waarin het bewustzijn
fysiologisch of pathologisch verminderd of veranderd is. Fysiologische toestanden met een gewijzigd
bewustzijn zijn bijvoorbeeld slaap, meditatie en hypnose. Pathologie van bewustzijn ziet men bij
coma, vegetatieve toestand en minimaal bewuste toestand. Deze laatste twee bieden de onderzoeker
bovendien de mogelijkheid besef te onderzoeken onafhankelijk van waakzaamheid. Er wordt daarom
ook dieper ingegaan op deze toestanden. Daarna wordt beschouwd wat recente bevindingen vertellen
over de rol van verschillende hersenregio‟s in het ontstaan van bewustzijn. Vervolgens worden ook de
dynamische aspecten van neuronale activiteit besproken, die minstens even belangrijk blijken bij het
ontstaan van bewustzijn. Als vervolg daarop worden een aantal theorieën naar voor gebracht die deze
neurobiologische bevindingen omvatten, en een mogelijke verklaring bieden voor het ontstaan van
bewustzijn. Tenslotte wordt het zelfbewustzijn met zijn mogelijke eigen neuronale correlaten
besproken, een belangrijk deelaspect van het bewustzijn bij de mens.
2. Inleiding
2.1 Wat is bewustzijn?
Tot op heden bestaat er nog geen bevredigende en universeel aanvaarde definitie van het menselijk
bewustzijn. Eenvoudig gesteld is bewustzijn alles wat we ervaren. Het verlaat ons iedere nacht
wanneer we in een droomloze slaap vallen en komt terug de volgende ochtend wanneer we ontwaken.
Zonder bewustzijn zou er noch een externe wereld, noch onze eigen zelf bestaan.1 Vaak wordt het
bewustzijn onderverdeeld in twee elementen: het wakker zijn, de waakzaamheid (maw het niveau van
1
bewustzijn) en de ervaring, het besef van de omgeving en zichzelf (maw. de inhoud van het
bewustzijn).2,3,4
2.1.1
Bewustzijn als wakkere toestand
Met waakzaamheid wordt bedoeld het continuüm tussen slapen en wakker zijn. Het wordt
gedefinieerd als de aanwezigheid van verlengde periodes van het spontaan of geïnduceerd openen van
de ogen.2 Bewustzijn in deze zin is een mate van graden: een reeks van bewuste toestanden bestaat
tussen waakzaamheid, slaap en coma. Deze toestanden kunnen objectief gedefinieerd worden, via het
gebruik van gedragscriteria zoals de Glasgow coma schaal. Bewust zijn in deze zin is het gevoel
wakker en alert te zijn.5
2.1.2
Bewustzijn als ervaring
Met ervaring of besef bedoelt men de gedachten en gevoelens van een individu, of de mogelijkheid
alle inkomende sensorische informatie te ontvangen en te integreren, zowel vanuit de externe
omgeving als vanuit het eigen lichaam.2 Bewustzijn in deze zin is de inhoud van ervaring van moment
tot moment: hoe het voelt een bepaalde persoon te zijn. Het brengt de kwalitatieve, subjectieve
dimensie van ervaring naar boven.5
Normaalgezien zijn waakzaamheid en besef positief met elkaar gecorreleerd: wanneer men minder
wakker is, heeft men ook minder besef. (een uitzondering hierop is REM slaap waarbij men ervaringen
heeft tijdens dromen, maar niet wakker is) Het besef kan verder onderverdeeld worden in besef van
zichzelf en besef van de omgeving. Deze zijn meestal omgekeerd gerelateerd: wanneer men
geëngageerd is in zelfgerelateerde processen, is men minder ontvankelijk voor de omgeving, en
omgekeerd.4
2.1.3
Uitgebreid bewustzijn
Men kan ook het bewustzijn breder beschouwen dan slechts bestaande uit waakzaamheid en besef.
Totaal bewustzijn of uitgebreid bewustzijn wordt door Evans et al. gedefinieerd als het continue besef
van de externe en interne omgeving, zowel in het heden als het verleden, samen met de emoties die
eruit ontstaan. Dit betekent dat ook andere hersenfuncties, behalve deze geassocieerd met besef hierin
betrokken zijn, zoals de gebieden verantwoordelijk voor geheugen, emotie en aandacht.4
Bewustzijn is afhankelijk van de aanwezigheid van het korte termijn of werkgeheugen in de cortex.
Zonder enige korte opslag van informatie, zou besef bestaan uit korte ongerelateerde grepen uit de
ervaring. Anderzijds vereist totaal bewustzijn ook het lange termijngeheugen, waarvan het
belangrijkste het expliciet geheugen (of declaratief geheugen) is. Dit bevindt zich in de cortex van de
hippocampus. Dit type geheugen is heel gedetailleerd en lijkt op een persoonlijke video die zich
uitbreidt van het heden naar het intermediaire verleden, onmiddellijk beschikbaar voor het bewust
2
ophalen ervan op elk moment. Met de tijd worden oude herinneringen minder gedetailleerd en hun
essentie(semantisch geheugen) wordt dan overgedragen naar het lange termijn geheugen opgeslagen in
de neocortex van de frontale lobben. Een belangrijke eigenschap van het expliciet geheugen is dat alle
nieuwe herinneringen hier moeten geregistreerd worden, of ze gaan voor altijd verloren, wat maakt dat
het een essentieel onderdeel uitmaakt van totaal bewustzijn. Zoals ook sensorische input niet altijd het
besef bereikt, kan ook geheugen soms onbewust ontstaan.4 Dit laatste noemt men procedureel
geheugen. Schade aan de structuren verantwoordelijk voor expliciet geheugen leidt tot anterograde
amnesie. Dit syndroom spaart echter de mogelijkheid van het verkrijgen van procedurele
herinneringen, het verkrijgen van nieuwe motorische skills. Dit ontstaat in prefrontale regio‟s via
verbindingen met de basale ganglia en het cerebellum.5
Maar ook emotie is belangrijk in bewustzijn. Dat het bijdraagt tot de toestand van bewustzijn is
duidelijk in het alledaagse leven: de perceptie van de wereld wordt voor een groot deel beïnvloedt
door de gemoedstoestand. Als men gedeprimeerd is, lijkt alles hopeloos, indien opgetogen, is alles
mogelijk. De gebieden geassocieerd met emotie worden gevonden in de middenhersenen, de mesiale
frontale gyrus, de amygdala, de hypothalamus en de subfrontale regio. Sommige van deze gebieden
hebben vrij specifieke emotionele relaties, zoals die tussen amydala en angst, andere zijn minder goed
gedefinieerd. Deze gebieden zijn allemaal deel van het diencefalon, of er nauw mee verbonden. Dit is
evolutionair het oudste deel van de voorhersenen, afgeleid van de hersenstam voor de toevoeging van
de hemisferen en de basale ganglia. Dit suggereert dat ze verantwoordelijk zouden kunnen zijn voor de
meest primitieve vormen van bewustzijn, gebaseerd op emotie en gevoelens eerder dan op gedachten.
In zoogdieren zijn ze geëvolueerd naar een verschillende functie: het bijdragen tot de kwaliteit van een
veel meer gesofisticeerd bewustzijn.4
Aandacht tenslotte is als het ware de poort naar bewustzijn. Via aandacht selecteren we stimuli en
sluiten andere uit uit de focus van interesse.5 Wanneer een individu aandacht besteedt aan een
voorwerp, wordt deze bewust van de verschillende eigenschappen ervan; wanneer de focus van de
aandacht ervan weggaat, verdwijnt het voorwerp uit het bewustzijn. Dit heeft velen ervan overtuigd
dat de twee processen onlosmakelijk met elkaar verbonden zijn, en misschien zelfs identiek zijn.
Recent onderzoek wijst echter in de richting van een dissociatie tussen aandacht en bewustzijn, met
verschillende functie en neuronale mechanismen. Dit betekent dat aandacht kan gericht worden op iets
zonder dat men er zich bewust van is, of omgekeerd. Enerzijds kan men inderdaad de aandacht richten
op een bepaalde plaats voor meerdere seconden en toch één of meerdere kenmerken van een voorwerp
niet zien. Anderzijds, wanneer men de aandacht richt op één bepaald aspect van de omgeving wordt de
wereld niet gereduceerd tot een tunnel, waarbij alles errond verdwijnt: we hebben nog altijd een besef
van sommige aspecten van de wereld rondom ons, zoals zijn essentie, kern. Bijvoorbeeld in een studie
waarbij een foto kort en onverwacht geflitst werd op een scherm, konden de proefpersonen accuraat
een samenvatting geven van de inhoud. In de 30ms die hiervoor nodig waren, kan aandacht geen grote
3
rol spelen.6 Recente fMRI studies op mensen suggereren dat de neuronale expressie van aandacht de
focale toename van neuronale activiteit inhoudt.5
2.2 Hoe kan het bewustzijn gemeten worden?
Hoe kunnen we meten of en in welke mate een bepaalde sensorische, motorische of cognitieve
gebeurtenis bewust wordt ervaren? Omwille van het bestaan van verschillende theoretische
benaderingen voor bewustzijn, kunnen en zullen meetmethoden van bewustzijn in botsing komen met
elkaar.8 Daarom stelt men dat alleen wanneer deze metingen gebeuren in dergelijke theoretische
context, ze waardevol en betrouwbaar kunnen zijn.6 Bovendien moeten de metingen niet alleen een
onderscheid maken tussen bewustzijn en bewusteloosheid, maar ook een aanduiding geven van de
mate van bewustzijn waarin een organisme zich bevindt.8 De mogelijkheid om kwantificeerbare
aspecten van bewustzijn op het neuronaal niveau te kunnen evalueren zonder de nood aan een eerste
persoonsverslag zou zeer nuttig zijn in de evaluatie van de diepte van anesthesie en in de analyse van
verschillende neurologische en psychiatrische stoornissen. Bovendien zou het ook kunnen bijdragen
tot de studie van bewustzijn. Volgens Seth et al. zou de ontwikkeling en simultane toepassing van
meerdere kwantitatieve maten samen noodzakelijk zijn om de complexiteit van de neuronale systemen
onderliggend aan bewustzijn te karakteriseren.9 Bij het evalueren van het bewustzijn kan men gebruik
maken van gedragsmetingen en hersenmetingen.
2.2.1
Gedragsmetingen.
Deze vereisen van de proefpersonen om verslag uit te brengen van hun mentale toestand. Een voordeel
hiervan is dat de bewuste status van een groot aantal mentale toestanden kan geëvalueerd worden,
waaronder zowel kennis inhoud als fenomenologische inhoud. Echter, de meeste gedragsmetingen zijn
gericht op het evalueren of een bepaalde mentale inhoud bewust wordt ervaren, en niet of een
organisme op zich bewust is. Een uitzondering hierop is de Glasgow Coma schaal, een reeks van
gedragstesten gebruikt om de aanwezigheid, afwezigheid en diepte van een coma bij patiënten met
hersentrauma te evalueren. In klinische context worden dergelijke gedragstesten meer en meer
gebruikt samen met hersengebaseerde metingen van het niveau van bewustzijn.6
2.2.2
Hersenmetingen.
2.2.2.1 Elektro-encefalografische metingen.
Wakker bewustzijn is geassocieerd met lage amplitude, onregelmatige elektro-encefalografische
activiteit.6 Er bestaan twee EEG ritmes bij waakzaamheid: een alpha ritme (8-13Hz) wat het passieve
EEG karakteriseert, bij een persoon in rust, en een beta ritme (>13Hz), het actieve EEG, bij mentale
activiteit.5 Onbewuste omstandigheden zoals non-REM slaap, coma, algemene anesthesie en
epileptische absence aanvallen vertonen voornamelijk lage frequentie, regelmatige en hoge amplitude
oscillaties.8 Recent is interesse gegroeid rond de mogelijkheid dat activiteit gesynchroniseerd over de
4
hersenen in de gamma reeks (35-45Hz) een handtekening zou kunnen zijn van de wakkere toestand en
REM slaap. 5 Hier wordt later op teruggekomen.
Gebeurtenis gerelateerde corticale potentialen (event related potentials, ERP‟s) worden ook soms
gebruikt om te evalueren of een stimulus bewust wordt waargenomen of niet, maar er is discussie of
eerder vroege (100ms) of late (300ms of P300) componenten hiervoor het meest relevant zijn.
Bovendien zijn deze potentialen ook gerelateerd aan andere functies naast bewustzijn.6
Een ander uitgangspunt is dat bewust waargenomen stimuli zorgen voor wijdverspreide
hersenactivatie, in tegenstelling tot stimuli die niet het bewustzijn bereiken.6
2.2.2.2 Functionele beeldvorming
De manier waarop men het bewustzijn heeft bestudeerd en heeft gezocht naar de neuronale correlaten
ervan is in de loop van de jaren heel wat veranderd. Voor de intrede van de medische beeldvorming
kon men enkel terugvallen op de kliniek en op weefselonderzoek via biopsie. Later kwamen de
structurele beeldvormingsonderzoeken, waaronder CT en MR en als laatste de functionele
onderzoeken zoals fMRI, PET(positron emission tomography), SPECT(single photon emission
computed tomography), MEG en DTI. PET en SPECT identificeren functionaliteit op het meest
algemene niveau, ze duiden enkel corticale en subcorticale regio‟s aan die potentieel recruteerbaar
zijn, eerder dan dat ze neuronale activiteit linken met specifieke cognitieve processen, bij de
zogenaamde activatiestudies. Dit is wat methoden zoals de h215O PET en de fMRI wel doen.
Als eerste gebruikte men voor deze activatiestudies de h215O PET-scan, aangezien deze techniek meer
voorhanden was en men met de fMRI nog niet veel ervaring had. Het gebruik ervan wordt echter
beperkt door de stralingsbelasting, waardoor longitudinale of follow-up studies vaak niet mogelijk
zijn. Ook de power van PET studies is eerder laag, waardoor vaak groepen patiënten moeten
onderzocht worden om aan de standaard statistische criteria te voldoen. Een belangrijke evolutie was
de overstap naar het gebruik van de fMRI. Niet alleen is deze techniek op heden meer voorhanden, het
biedt meer statistische power, betere spatiale en temporele resolutie en geeft geen stralingsbelasting.
Tegenwoordig is fMRI de meest wijdverspreid gebruikte onderzoeksmethode in menselijke cognitieve
neurowetenschappen en heeft als enorm voordeel dat het de hersenen in kaart kan brengen met
aanduidingen van de locatie (in traditionele activatiestudies) en integratie (fcMRI, in meer recente
functionele connectiviteitsstudies) van hersenactiviteit.10
Het meest informatief zou het combineren zijn van verschillende meetmethodes, zowel op basis van
gedrag als van de hersenen. Op deze manier kunnen verschillende aspecten van bewustzijn gemeten
worden: gedragsmetingen worden meestal gebruikt om te evalueren welke inhouden bewust zijn,
terwijl bepaalde hersenmetingen gebruikt kunnen worden om het niveau van bewustzijn te meten.8
5
2.3 Hoe kunnen de neuronale correlaten van het bewustzijn (NCC) bestudeerd worden?
Hoe het bewustzijn ontstaat in de hersenen is op dit moment nog niet gekend.2 Toch is het nu
algemeen aanvaard dat bewustzijn volledig gerelateerd is aan neuronale activiteit, en daarom net zoals
elke andere hersenfunctie open staat voor wetenschappelijk onderzoek.4
Er zijn verschillende mogelijke strategieën om de relatie tussen de hersenen en het bewustzijn te
bestuderen. Men kan afwachten en hopen dat, een keer alles geweten is over neuroanatomie en
neurofysiologie, het antwoord vanzelf daaruit zal volgen. Een meer praktische benadering is om de
middelen van de neurowetenschappen die nu beschikbaar zijn te gebruiken om de neuronale structuren
en activiteitspatronen te onderzoeken die verantwoordelijk zijn voor het bewustzijn. Men kan
bijvoorbeeld onderzoeken hoe de hersenactiviteit verandert wanneer, terwijl al de rest onveranderd
blijft, een individu geprikkeld wordt met een stimulus of niet. Op die manier kan men, steeds
preciezer, de neuronale correlaten van het bewustzijn identificeren, hier gedefinieerd als de minimale
neuronale mechanismen, samen voldoende voor gelijk welke specifieke bewuste perceptie. De nadruk
ligt hier op minimaal, omdat de belangrijke vraag hierbij is welke subcomponenten van de hersenen nu
echt noodzakelijk zijn. Bijvoorbeeld de neuronale activiteit in het cerebellum zal uiteindelijk ook
sommige acties beïnvloeden, uitgevoerd bij de presentatie van een stimulus, maar dergelijke activiteit
heeft weinig te maken met de ontwikkeling van een bewuste perceptie van de stimulus. Bijgevolg zal
het cerebellum ook geen deel uitmaken van het NCC. Door het opnemen van de elektrische activiteit
van individuele neuronen of het meten van hemodynamische signalen terwijl de proefpersoon naar een
stimulus kijkt maakt het voor de onderzoeker mogelijk te onderzoeken welke neuronale activiteit
gecorreleerd is met de bewuste perceptie van de stimulus. Een complementaire strategie is om situaties
te bestuderen waarin het bewustzijn in zijn geheel is verminderd, zoals diepe slaap of anesthesie, en
zich afvragen wat er veranderd is in de hersenen. Veel informatie kan verkregen worden door het
bestuderen van veranderingen in hersenactiviteit bij veranderingen in het niveau van bewustzijn. Ten
slotte is een laatste mogelijke benadering om eerst een theoretisch kader te ontwikkelen dat het
bewustzijn verklaart, hoe het gegenereerd kan worden door een systeem en hoe het kan gemeten
worden en om vervolgens dit kader te testen ten opzichte van gegevens uit de neurowetenschappen.6
Veel van het hedendaagse werk in de zoektocht naar de NCC is gericht op de visuele inhoud van
bewustzijn. Dit voor een deel omdat visuele ervaringen makkelijk experimenteel te manipuleren zijn,
en deels omdat meer geweten is over de anatomie en functie van de visuele gebieden in primaten dan
over andere hersenregio‟s.6 Bij onderzoek op dieren en mensen worden toenemende correlaties
gedefinieerd tussen hersenactiviteit en visuele ervaring, waaronder ook ervaringen die gebeuren
zonder overeenkomstige veranderingen in externe stimuli, zoals visuele hallucinaties of ambigue
figuren. Men kan hierbij een onderscheid maken tussen „expliciete‟ neuronale processen, die
rechtstreeks aanleiding geven tot bewust besef, zoals bewust zicht, en „impliciete‟ neuronale
6
processen, waarbij stimuli die niet bewust worden waargenomen toch neuronale effecten hebben en
zelfs onze ervaring, gedachte en actie beïnvloeden. Een voorbeeld hiervan is blindzicht, dat
visuomotorische handelingen toelaat in afwezigheid van besef. Blindzicht is een fenomeen waarbij
personen die perceptueel blind zijn toch een zekere respons vertonen op visuele stimuli. Hierbij
hebben de personen geen enkel besef van visuele stimuli, maar kunnen desondanks toch aspecten van
een visuele stimulus, zoals plaats of type beweging voorspellen. Het fenomeen wordt veroorzaakt door
een hersenletsel ter hoogte van het deel verantwoordelijk voor zicht. De processen, noodzakelijk voor
impliciete verwerking, onttrekken van deze betrokken bij expliciete perceptie zou in principe moeten
helpen om de belangrijkste neuronale correlaten van het besef te kunnen aflijnen. Hierbij gaat men
ervan uit dat er systemen in de hersenen zijn die onveranderd functioneren in de afwezigheid van
bewustzijn. Een andere mogelijke verklaring zou echter kunnen zijn dat het bij impliciete processen
gaat om een subdrempel stimulatie van systemen die anders wel bijdragen tot bewustzijn. fMRI
studies bieden resultaten die beide verklaringen ondersteunen. Dit onderscheid kan tenslotte ook
doorgetrokken worden naar het verschil tussen declaratief en procedureel geheugen, en tussen bewust
uitgevoerde acties en acties die geautomatiseerd zijn.5
Men zou kunnen stellen dat de studie van toestanden van veranderd bewustzijn de neuronale basis van
waakzaamheid reeds deels heeft opgehelderd, terwijl de studie van zicht heeft gezorgd voor een ideale
bron van bewijs voor de mechanismen onderliggend aan de inhoud van bewustzijn.5
Volgens Morsella et al. zou echter het olfactorisch systeem beter geschikt zijn voor het onderzoek naar
de NCC. Samen met zijn relatief eenvoudige, neuroanatomisch bereikbare, en fylogenetisch primitieve
structuur, is reuk goed geschikt voor onderzoek naar bewustzijn omwille van zijn fenomenologische
eigenschappen: wanneer het systeem ondergestimuleerd wordt-in tegenstelling tot de meeste andere
modaliteiten- veroorzaakt het vaak geen subjectieve ervaring, bijvoorbeeld bij sensorische habituatie
of subliminale geuren. Deze „niets‟ in ervaring vormt een informatieve basistoestand voor het
onderzoek naar bewustzijn. Men kan dan de minimale regio‟s identificeren waarvan de stimulatie
voldoende is om olfactorische percepties te veroorzaken. Er is bijvoorbeeld naar voor gebracht dat
bewustzijn een thalamocorticale interactie vereist, maar dit is inconsistent met het feit dat we reuk
bewust waarnemen hoewel olfactorische afferenten niet via de thalamus lopen, maar direct naar
regio‟s in de ipsilaterale cortex. Daarmee wil men niet zeggen dat de relais thalamus onnodig is voor
andere vormen van bewustzijn of dat bewuste hersenen die enkel reuk waarnemen de thalamus niet
nodig hebben: in post-corticale stadia van verwerking ontvangt de thalamus input van corticale regio‟s
betrokken in reuk. Men stelt voor dat de olfactorische bulbus een gelijkaardige functie vervult als de
relais thalamus, en uit studies blijkt dat deze bulbus niet noodzakelijk is voor bewustzijn, dus deze
laatste zou dan toch niet noodzakelijk zijn voor de minimale neuroanatomie van bewustzijn.11
7
Crick et al. stellen dat ook neurochirurgen een bijdrage kunnen leveren tot een begrip van het
bewustzijn. Met name via het registreren van totale activiteit in de hersenen (intracraniële EEG),
activiteit van enkele en multipele neuronen, en lokale veldpotentialen rechtstreeks in de hersenen
wanneer de klinische mogelijkheden om dit te doen zich voordoen. Daarnaast ook via de directe
manipulatie van hersenactiviteit via elektrische stimulatie, wat eerder al nuttig bleek bij het in kaart
brengen van de hersenen voor het maken van beslissingen in verband met de chirurgie. Voor
duidelijke ethische redenen kunnen dergelijke invasieve methoden slechts in enkele speciale gevallen
gebruikt worden bij mensen. Ze kunnen wel steeds uitgevoerd worden op apen om dan nuttige
vergelijkingen te maken met de mens, echter een aap kan ons niet direct vertellen of hij bij bewustzijn
is of niet. Bepaalde vragen, vooral deze behorend tot bewustzijn, kunnen enkel door mensen
beantwoord worden. Neurochirurgie kan hierbij een hulp zijn, via het gebruik maken van klinische
gelegenheden om observaties te doen.12
De zeldzame gelegenheid om direct de menselijke hersenen te registreren bestaat in de context van een
klein aantal neurochirurgische procedures. De registratie van individuele en multipele neuronale
activiteit werd reeds uitgevoerd intra-operatief tijdens chirurgie van epilepsie en bewegingsstoornissen
en extra-operatief via chronisch geïmplanteerde elektrodes voor de behandeling van epilepsie.
Bijvoorbeeld, in een studie waarbij men meer dan 1000 neuronen in een aantal patiënten registreerde,
zag men dat individuele neuronen in de mediale temporele lob responsen bevatten op specifieke
eigenschappen van stimuli. Een neuron kan bijvoorbeeld reageren op beelden van dieren, maar niet op
die van gezichten of voorwerpen zoals auto‟s of eten. Dit toont aan dat deze responsen een weergave
zijn van de organisatie van stimuli in categorieën. Dus, mediale temporele neuronen reageren op
percepties eerder dan op stimulus projecties op de retina. Maar wat gebeurt er als alle retinale input
wordt verwijderd? En hoe reageren deze cellen op inbeelding? Men zag dat de respons op een
ingebeeld voorwerp, wanneer er geen retinale input bestond, vergelijkbaar was met de respons op het
echte voorwerp.12
Hoewel de wetenschappelijke studie van bewustzijn op deze manier reeds veel vooruitgang heeft
geboekt de laatste jaren, bestaat er nog steeds een uitgebreid debat over de precieze betekenis van
bewustzijn en bestaan er ondertussen een grote hoeveelheid tegenstrijdige theorieën. Een bron van
deze problemen is volgens Gamez et al. dat het meeste onderzoek grotendeels inductief is en dat er
slecht weinig nadruk wordt gelegd op falsifieerbare voorspellingen. Volgens Crick en Kock kan de
wetenschap van bewustzijn slechts vooruitgang boeken als het voorspellingen maakt volgens de
verschillende theorieën en empirische metingen gebruikt om deze voorspellingen te testen en zo
theorieën te elimineren die slechte voorspellingen maakt. Het menselijk brein is nog steeds de gouden
standaard voor een bewust systeem, waardoor theorieën van bewustzijn eigenlijk alleen echt kunnen
getest worden bij de mens. Echter, men heeft slechts weinig toegang tot neuronen in het levend brein.
Dus tot toegang tot de hersenen verbetert, vormen artificiële neuronale netwerken een manier waarmee
8
men dergelijke voorspellingen kan testen. Men noemt dit ook zwak artificieel bewustzijn: artificiële
systemen worden gebruikt om voorspellingen te maken over bewustzijn zonder enige claim over het
eigenlijke bewustzijn van het systeem. Daarbij worden verschillende netwerken vergeleken met
structuren in de hersenen om te zien of netwerken met de eigenschappen noodzakelijk voor het
ontwikkelen van bewustzijn, volgens een bepaalde theorie, overeenkomen met circuits in de hersenen
die geassocieerd zijn met bewustzijn. Echter, om werkelijk te bepalen of een theorie correct is moeten
voorspellingen vergeleken worden met eerste persoonsverslagen van systemen waarvan gekend is dat
ze bewust zijn, en dit zal enkel mogelijk worden wanneer de toegang tot het menselijk brein
verbetert.13
3. Methodologie
De artikels werden opgezocht via pubmed, medline en web of science. Daarbij werd gestart met de
kernwoorden „neural correlates of consciousness‟ en werden eerst een aantal reviews gelezen om een
algemeen beeld van het onderwerp te verkrijgen. Vervolgens werden verder artikels opgezocht op
basis hiervan, namelijk artikels over het bewustzijn en de onderverdeling ervan, over verschillende
theorieën van het bewustzijn, over stoornissen en bijzondere toestanden van bewustzijn. Ook werden
een aantal artikels en auteurs door de promotor aangeraden.
4. Resultaten
4.1 Toestanden van veranderd bewustzijn
Het onderzoek naar bewustzijn houdt de mens reeds lange tijd bezig. Enerzijds vanuit de
nieuwsgierigheid naar het mechanisme en de functie van fysiologische veranderingen van bewustzijn,
zoals slaap, meditatie of hypnose. En anderzijds vanuit de nood aan meer inzicht in pathologische
veranderingen van bewustzijn na hersenschade. De studie hiervan moet leiden tot een betere klinische
evaluatie, behandeling en prognose van deze patiënten. Anderzijds bieden deze toestanden de
mogelijkheid om de hersenfunctie bij veranderd bewustzijn te bestuderen, wat kan leiden tot een beter
inzicht in de neuronale correlaten van het bewustzijn.
4.1.1
Slaap
Slaap wordt onderverdeeld in REM en NREM slaap. Het begin van de slaap is in NREM slaap, wat
ongeveer 80% uitmaakt van de totale tijd. NREM slaap wordt meestal onderverdeeld in vier stadia,
grotendeels bepaald door het EEG patroon, wat een verandering weergeeft van slaperigheid in stadium
1 naar diepe slaap in stadium 4. In de diepste stadia van NREM, voornamelijk in stadium 4, bevindt
men zich in een toestand van omkeerbare, fysiologische bewusteloosheid. REM en NREM slaap
worden afzonderlijk gereguleerd. Het tijdstip van de slaap wordt beïnvloedt door twee factoren,
enerzijds het circadiaans ritme, anderzijds een homeostatische factor gerelateerd aan de tijdsduur sinds
9
vorige slaap. Slaap kan uitgesteld worden, maar dergelijk uitstel is niet oneindig, en de verloren slaap
zal later terug ingehaald moeten worden. Slaap deprivatie veroorzaakt geen duidelijke verstoring van
de lichaamsfunctie, maar het resulteert wel duidelijk in een verstoorde hersenfunctie. Dit wordt
duidelijk in geheugen, aandacht, concentratie en helderheid, alle functies die verbonden zijn aan het
bewustzijn.4
Het proces waarbij de hersenen overgaan van slaap naar wakkere toestand is relatief goed begrepen.
Het reticulair activerend mechanisme zou hierin van groot belang zijn. Activiteit vanuit alle
opstijgende banen van de hersenstam, bij het bereiken van de thalamus, wordt verspreid naar de
volledige cortex wat resulteert in een wakkere toestand met algemene corticale activatie. (=Reticulair
activerend mechanisme, RAM) De overgang van wakkere toestand naar slaap is echter minder goed
begrepen. De circadiaanse en homeostatische factoren bepalen wanneer de hersenen klaar zijn om te
slapen, maar geven geen aanduiding van enig mechanisme om die verandering te veroorzaken. Er
bestaat echter huidig bewijs dat er naast een RAM, ook een arousal inhibitorisch mechanisme (AIM)
bestaat, wat actief de hersenen doet overgaan naar slaap. Dit zou uitgevoerd worden door een
thalamocorticaal mechanisme.4
In de waaktoestand worden thalamocorticale neuronen tonisch gedepolariseerd door input vanuit de
hersenstam en hypothalamus, wat zorgt voor een „spike‟ modus van respons in thalamocorticale
cellen, wat een overdracht van afferente signalen toelaat. De daling van deze depolariserende input in
NREM slaap zorgt voor een contrasterende „burst‟ respons, wat een patroon van repetitief afvuren
veroorzaakt in deze cellen, wat uiteindelijk leidt tot de trage golf oscillaties kenmerkend voor NREM
slaap.5 Tijdens REM slaap daarentegen is de cortex volledig geactiveerd en is autonome activiteit
hoog. De somatische spieren zijn verlamd behalve de oogspieren, die bewegen in schokken. Tijdens
REM slaap treden dromen op, dat kan beschouwd worden als een vorm van bewustzijn bijna niet
gerelateerd met externe gebeurtenissen. De geactiveerde cortex, grotendeels afgezonderd van meeste
externe en ook interne sensorische input, maar steeds beïnvloed door intercorticale activiteit zou
kunnen verantwoordelijk zijn voor deze dromen.4
Schade aan de cerebrale hemisferen, zowel in de cortex als in de sub-cortex kan zodanig ernstig zijn
dat de slaap-waak cyclus verloren gaat. Verder herstel kan soms zorgen dat slapen en waak terugkomt,
maar niet voldoende om besef te veroorzaken.4
4.1.2
Meditatie
Meditatie kan omschreven worden als een familie van complexe emotionele en aandachtsregulerende
handelingen, waarbij mentale en gerelateerde somatische processen veranderen. Het beheren van de
aandacht is het centrale kenmerk van verschillende meditatiemethoden. Meditatie kan onderverdeeld
worden in twee hoofdstijlen: de gerichte aandacht en de open monitoring.14
10
4.1.2.1 Gerichte aandacht meditatie.
Hierbij wordt de aandacht gericht op een bepaald object en dit op een volgehouden manier. Naast het
behouden van de focus van aandacht op een bepaald object, impliceert het ook het detecteren van
afleiding, de aandacht wegtrekken van deze focus van afleiding, en de focus opnieuw richten op het
object. Gedachten en sensaties komen op en gaan voorbij zonder zich eraan vast te hechten. Deze soort
meditatie is gerelateerd met systemen in de hersenen betrokken in aandacht. Men heeft gezien dat het
lange tijd uitoefenen van gerichte aandacht meditatie leidt tot een verminderde inspanning om de
aandacht blijvend te richten op een bepaald voorwerp en een grotere mogelijkheid in het monitoren
van opkomende afleidingen of dwalingen in de gedachten. Een fMRI studie bij beoefenaars van FA
meditatie toonde een lagere activatie in regio‟s gerelateerd met afleiding en niet-taakgerelateerde
gedachten en een activatie in verschillende regio‟s geassocieerd met monitoring en aandacht. Hierbij
toonde de fMRI een lagere activatie bij zeer getrainde personen en hogere activatie bij personen met
een gematigde ervaring, waaruit men afleidt dat door extensieve mentale training een minimale moeite
nodig is om de focus van aandacht vast te houden. Mogelijks verkrijgen ze ook een betere controle
over het richten en verdelen van de aandacht. MRI studies toonden zelfs structurele veranderingen aan
in de hersenen.14
4.1.2.2 Open monitoring meditatie.(OM)
Dit type meditatie bestaat uit het detecteren van opkomende percepties, gevoelens en gedachten in een
onbegrensde achtergrond van bewustzijn, zonder het „vastgrijpen‟ van deze gebeurtenissen in een
focus en omvat een hogere-orde (meta-) besef van deze voortdurende mentale processen. Het
beoefenen van dit type meditatie is geassocieerd met een meer levendige bewuste toegang tot de
verschillende kenmerken van elke ervaring en toegenomen metacognitief en zelfregulerend vermogen.
Deze meditatie wordt ook „mindfulness‟ meditatie genoemd, afgeleid uit boeddhistische teksten. Deze
meditatie veroorzaakt bij de beoefenaars een meer verdeelde focus van aandacht, een meer efficiënte
perceptie van gepresenteerde reeksen en een meer objectieve analyse van sensorische gebeurtenissen,
meer „los van zichzelf‟, eerder dan een subjectieve of affectieve zelf-referentiele evaluatie.14
Volgens Baerentsen et al. zijn eigenlijk alle types meditatie onder te brengen onder de praktijk om de
„fluctuaties van de geest te stillen‟.14 Wanneer deze fluctuaties onder controle zijn, wordt concentratie
bereikt. Dan houdt de geest vast aan zichzelf, in plaats van zich te identificeren met de fluctuerende
patronen van het bewustzijn. Dit lijkt in tegenspraak te gaan met het zogenaamde „mindfulness‟, maar
men stelt hier dat concentratie, toch zeker tot op bepaalde hoogte, ook een noodzakelijk element is in
mindfulness meditatie. Men stelt dat meditatie over het algemeen een mengeling vertoont van
concentratie en open non-evaluatief besef. Meditatie is als het ware het verkrijgen van een
geconcentreerde, non-evaluatieve en niet-afdwalende toestand van de geest, of een losmaking van de
inhoud van bewuste sensorische ervaring en een stabiele concentratie op de aandacht op zich. In een
11
fMRI studie stelt men dat twee complementaire neuronale netwerken aan de grondslag liggen van
meditatie. Eén netwerk functioneert als een neuronale switch, en zorgt voor de overgang van normaal
bewustzijn naar mediatie, terwijl de andere dienst doet als een homeostatisch regulatiemechanisme dat
de geestestoestand kenmerkend voor meditatie onderhoudt. Deze eerste „neuronale switch‟ zou
gelegen zijn in prefrontale gebieden, en inhibeert de activiteit in specifieke en non-specifieke
thalamocorticale circuits. De verdere „kalme aandachtstoestand‟ zou dan onderhouden worden door
een regulatiemechanisme gelegen in non-specifieke thalamische nuclei en de cerebrale cortex, dat het
lage niveau van corticale exciteerbaarheid onderhoudt, karakteristiek voor meditatie. Deze patronen
van activatie en inhibitie ondersteunen het idee dat meditatie een geestestoestand is die duidelijk
verschillend is van de basistoestand en van de cognitie bij het uitvoeren van externe taken.15
4.1.3
Hypnose
Hypnose is een verandering in mentale activiteit uitgelokt door een inductie procedure en wordt
typisch subjectief ervaren als een toename in gerichte aandacht, verlies van aandacht voor externe
stimuli en een vermindering in spontane gedachtegang. Hypnotische inductieprocedures omvatten een
aantal verbale instructies die de overgang naar deze mentale toestand vergemakkelijken. Typische
hypnotische fenomenen, zoals veranderingen in sensorische ervaringen en motorische controle,
geheugenverlies en valse overtuigingen over zichzelf en de omgeving, vereisen specifieke suggesties.
Het is echter ook mogelijk dat individuen reageren op deze soort suggesties zonder dat het nodig is
eerst inductieprocedures toe te passen. Inderdaad, de beste voorspeller van de gevoeligheid voor
suggestie onder hypnose is de reactie op suggestie buiten hypnose.16
Er bestaan twee grote soorten studies rond hypnose. Het eerste type gaat op zoek naar de
neurocognitieve aard van hypnose (intrinsieke studies), het tweede type gebruikt hypnotische
suggestie als een middel om een reeks psychologische fenomenen te onderzoeken (instrumentele
studies).16
4.1.3.1 Intrinsieke studies.
Er is op heden nog slechts weinig geweten over de onderliggende processen betrokken in de
hypnotische ervaring zonder suggestie, de zogenaamde neutrale hypnose. Hoewel verder onderzoek
noodzakelijk is, suggereren de uitgevoerde studies dat een veranderde „default‟ modus van neuronale
activiteit, zijnde de hersenactiviteit in rust, geassocieerd is met hypnose, met een toename in mentale
absorptie en daling in spontane conceptuele gedachte.16
De „default‟ modus van de hersenen is een netwerk in de hersenen dat detecteerbaar is tijdens rust, het
is de zogenaamde spontane hersenactiviteit. Gebieden hierin betrokken zijn een aantal
middenhersenstructuren, waaronder de anterieure cinguli, ventrale en dorsale mediale prefrontale
cortex, posterieure cinguli en precuneus. Uit een fMRI studie op 263 proefpersonen, met verschillende
12
gevoeligheid voor hypnose bleek dat hersenactiviteit duidelijk daalde in het anterieure deel van het
„default‟ netwerk tijdens de hypnose. Geen enkel gebied toonde significante stijgingen in activiteit.
Normaal zouden dergelijke veranderingen in hersenactiviteit enkel plaatsvinden wanneer mensen
deelnemen aan een externe georiënteerde taak. In dat geval zou er echter ook inhibitie moeten te zien
zijn in het posterieure deel van het default mode netwerk, samen met activatie in de gebieden
gerelateerd aan de taak die ze aan het uitvoeren zijn. De inductie van hypnose zou dus een specifieke
verandering van de hersentoestand inhouden bij personen die gevoelig zijn hiervoor.17 Dit default
netwerk werd reeds gelinkt aan het vrijlaten van de geest om vrij rond te dwalen in rust. Daarentegen
is hypnose gelinkt aan een toestand van paraatheid om te reageren op welke suggesties dan ook. Dus,
de gehypnotiseerde personen zouden eigenlijk hun spontane, niet-doelgerichte cognitieve activiteit
verminderen om zich voor te bereiden op welke taak kan volgen in de toekomst. Echter, deze
veranderingen doen zich enkel voor bij hoog vatbare personen voor hypnose. Verder onderzoek is
noodzakelijk om dit te bevestigen.17 Het „default‟ netwerk wordt verder in meer detail besproken.
Andere studies op basis van EEG metingen vermelden een afzonderlijke „hypnotische toestand‟
waarbij normale patronen van communicatie tussen verschillende cognitieve systemen verstoord is,
met in het bijzonder een verzwakking van functionele verbindingen op afstand als een mogelijke
correlaat voor sommige van de zeldzame ervaringen die personen onder hypnose vaak vermelden,
zoals tijdloosheid en het verlies of loskomen van zichzelf.16
4.1.3.2 Instrumentele studies.
Hypnose en suggestie bieden een directe manier om een ganse reeks van cognitieve processen te
bestuderen. Bijvoorbeeld de hypnotische suggestie „numer zeven verdwijnt‟ waarbij wordt
gesuggereerd dat nummer zeven niet meer bestaat veroorzaakt verstoringen in de processen tellen en
rekenen. Hoewel hierover nog geen systematische studies bestaan, ontstaan hieruit duidelijk kansen
om hypnotische suggestie te gebruiken om dyscalculie te creëren, of zelfs te doen verdwijnen.
Gelijkaardige studies zijn reeds uitgevoerd in verband met het verwerken van taal, of bij het zien van
kleuren. Er bestaat al een lange tijd onderzoek naar geheugen, gebaseerd op het reversibel posthypnotisch geheugenverlies dat geproduceerd kan worden door suggestie. Een typisch kenmerk van de
meeste hypnotisch gesuggereerde effecten is de zogenaamde subjectieve onvrijwilligheid. Dit wordt
typisch aangetoond wanneer de suggestie gebruikt wordt om motorische responsen te doen ontstaan,
waarbij de gehypnotiseerde persoon zijn eigen bewegingen ervaart alsof ze „allemaal uit zichzelf
bewegen‟ (anarchische controle) of alsof ze „gestuurd worden door een externe agent‟ (alien
controle).16 Stoornissen die het gevoel van bezit van de eigen acties verstoren zijn een mogelijke bron
van inzicht in de neurologische basis van wilsactie of bewuste actie. Studies hiervan wijzen in de
richting van het belang van de prefrontale cortex in het bezit van de bewuste acties.5 Hypnotische
analgesie suggesties zijn effectief in het verlichten van zowel klinische als experimentele pijn en kan
13
selectief verschillende aspecten van de pijnervaring beïnvloeden. Het is ook mogelijk om selectieve
effecten aan te tonen van hypnotische suggestie op componenten van fantoompijn van ledematen.
Gesuggereerde bewegingen van de anders verkrampte en immobiele vingers van een fantoomarm
produceren niet alleen de subjectieve ervaring van beweging, met bijgaande activatie van
contralaterale somatosensorische cortex, maar ook een reductie in de geassocieerde pijn. Op deze
manier beïnvloedt hypnose aspecten van fenomenologisch besef, wat voor nieuwe inzichten kan
zorgen over de structuur en biologische basis van normale cognitieve processen.16
4.1.4
Pathologische toestanden van verminderd bewustzijn (DOC)
4.1.4.1 Coma
Coma, een blijvende slaapachtige toestand met onbeweeglijkheid en gesloten ogen waaruit de patiënt
niet kan ontwaakt worden, vertegenwoordigt het paradigma van een pathologisch verlies van
bewustzijn. Het wordt gekenmerkt door de afwezigheid van waakzaamheid en besef.6 Gewoonlijk is
dit slechts een tijdelijke toestand, waarbij de patiënt binnen een aantal weken overgaat naar herstel,
overlijdt, of evolueert naar een toestand van verstoord bewustzijn zoals de vegetatieve of minimaal
bewuste toestand. Deze kunnen ook tijdelijk zijn, of chronisch worden.18 Coma kan beschouwd
worden als een disregulatie van het arousal systeem van de hersenen door diffuse hersenschade of
focale hersenstam/thalamus letsels.3, 5 Op het EEG wordt vaak een veralgemeende vertraging gezien.3
4.1.4.2 Vegetatieve toestand en minimaal bewuste toestand
4.1.4.2.1
Definitie
De laatste jaren hebben verbeteringen in intensieve zorgen geleid tot een toenemend aantal patiënten
die ernstige hersenschade overleven. Patiënten die een coma overleven kunnen volledig recupereren,
maar kunnen ook evolueren naar een vegetatieve toestand, waarbij de ogen heropenen, wat de indruk
geeft van waakzaamheid, maar met een blijvende non-respons op prikkels. Normale slaap/waakcyclus
keert terug, ademhaling en andere autonome en hersenstam functies zijn relatief bewaard, en
stereotypische, reflexachtige responsen kunnen optreden, zoals geeuwen, grimassen, huilen en
glimlachen. Ook kunnen ze hun ogen, hoofd en ledematen bewegen, echter slechts op een
betekenisloze „automatische‟ manier. Doelmatig handelen is onmogelijk. Het is een toestand waarbij
men „wakker is zonder enig besef‟. Voor familieleden-en onervaren artsen en ethische beleidsmakersis het vaak moeilijk te aanvaarden dat deze reflexbewegingen van de patiënt geen teken zijn van
bewustzijn. Met aangepaste medische zorg (kunstmatige hydratatie en voeding) kunnen patiënten voor
vele jaren overleven.2,19,7
Persistente VS is arbitrair vastgelegd op een VS die nog steeds aanwezig is een maand na acute
traumatische of niet-traumatische hersenschade. Dit betekent niet dat het irreversibel is. Permanente
VS echter is wel irreversibel, en wordt toegekend drie maanden na niet-traumatische hersenschade en
14
twaalf maanden na traumatische schade. Slechts vanaf dat moment worden ethische en legale kwesties
beschouwd in verband met het stopzetten van de behandeling.19,7
MCS wordt gekenmerkt door een beperkt en vaak inconsistent maar duidelijk onderscheidbaar bewijs
van bewustzijn van zichzelf en omgeving. Het wordt gedefinieerd als de mogelijkheid om functionele
interactieve communicatie of functioneel gebruik van voorwerpen te vertonen. Verdere verbetering
van de toestand is meer waarschijnlijk dan bij VS, hoewel sommige patiënten permanent blijven in
MCS.5,7 Een veel voorkomende evolutie na diffuse hersenschade is van coma naar VS en later naar
MCS.18 Het blijft een uitdaging om vegetatieve toestand te onderscheiden van een minimaal bewuste
toestand omdat ze beide-bij definitie-niet communicatief zijn. Functionele beeldvorming zou hier heel
waardevol kunnen zijn in het differentiëren van activatiepatronen in de twee klinische entiteiten,
gemeten tijdens externe stimulatie.20 Gespecialiseerde middelen worden ontwikkeld om weinig
responsieve patiënten te evalueren en subtiel bewijs voor besef te identificeren. Hierbij moeten ook
familie en werknemers ondervraagd worden, omdat zij vaak de eerste zijn om subtiele tekens van
opkomend besef op te merken bij patiënten die evolueren van VS naar MCS.18
Het locked-in syndroom tenslotte wordt gekenmerkt door het onderhouden openhouden van de ogen,
behouden besef van de omgeving, afonie of hypofonie, quadriplegie of quadriparese en een primaire
manier van communicatie dat gebruik maakt van verticale of laterale oogbewegingen of knipperen met
het bovenste ooglid om ja/nee antwoorden te geven.7 Deze toestand is dus eigenlijk geen stoornis van
het bewustzijn, maar kan er wel makkelijk mee verward worden.
4.1.4.2.2
Diagnose, prognose en behandeling.
De evaluatie van deze patiënten is enorm moeilijk aangezien bewustzijn of zelfbewustzijn nog niet
objectief kan gemeten worden. Men kan de aan-of afwezigheid van bewuste ervaring in een andere
persoon slechts afleiden, en VS en MCS patiënten zijn bij definitie niet in staat hun gedachten en
gevoelens te communiceren. Men moet zich dus beperken tot de subjectieve interpretatie van
geobserveerd gedrag in rust en motorische responsen als reactie op stimulatie. De diagnose wordt
gesteld nadat herhaalde onderzoeken geen bewijs hebben kunnen aantonen van volgehouden,
reproductieve, doelmatige of vrijwillige responsen op visuele, auditieve, tactiele of pijnlijke stimuli.
Dit wordt over het algemeen geëvalueerd aan de hand van verschillende gedragsevaluatieschalen.
Deze evaluatie gebeurt in meerdere sessies. Er zijn reeds vele scoringssystemen ontwikkeld voor de
evaluatie van bewustzijn bij patiënten met ernstige hersenschade. De meest gebruikte hierbij zijn de
Glasgow Coma Scale en Coma Recovery Scale.19,21
In de klinische praktijk zag men dat zelf-gerelateerde stimuli zoals het gebruik van de eigen naam van
de patiënt of het eigen gezicht (gebruik makend van een spiegel) meer effectieve stimuli bleken in het
onderzoeken van de responsiviteit van de patiënt vergeleken met niet-zelf-gerelateerde stimuli. Vaak
15
vormen specifieke gedragsresponsen op zelf-gerelateerde stimuli één van de eerste tekens die verder
herstel van bewustzijn inluidt. Dit kan verklaard worden door het feit dat in alledaagse sociale
interacties het horen van onze eigen naam zorgt voor aandacht en een gevoel van zelfbesef, aangezien
het één van de meest sociale zelf-gerelateerde stimuli is. De eigen naam is, zoals blijkt uit
verscheidene studies, een stimulus die automatisch de aandacht grijpt.7
Volgens een reeks andere studies, die gebruik maken van ERP‟s en fMRI, moet dit laatste echter
gematigd worden. Het voor de eerste maal voorkomen van de eigen naam, in een context waarbij dit
onverwacht is, zou zorgen voor het onvrijwillig richten van de aandacht wanneer de perceptuele
belasting van de huidige activiteit laag is en er voldoende capaciteit beschikbaar is om de eigen naam
te percipiëren. Het lijkt erop dat het eerder een respons van verrassing is dat zeer snel overgaat in
gewenning eerder dan dat het een blijvende mogelijkheid van de eigen naam is om de aandacht te
trekken. Wel is zeker dat het sneller gedetecteerd wordt als doelwit dan andere vergelijkbare stimuli.
Men zag in een onderzoek zelfs de krachtige detectie van de eigen naam in situaties met een
verminderd bewustzijn, zoals in slaap of na algemene anesthesie.7
De presentatie van het eigen gezicht zou eigenlijk beter gepast zijn voor het testen van expliciete zelfverwerking dan de eigen naam, aangezien het onwaarschijnlijk is dat het geassocieerd is geweest met
alarm of oriëntatie naar een andere persoon. Verschillende studies hebben reeds aangetoond dat
gezichten een klasse van stimuli vormen die in het bijzonder vatbaar zijn om de aandacht te vangen.
Echter, weinig studies hebben geëvalueerd of het eigen gezicht meer de aandacht trekt dan andere
gezichten. Uit de schaarse studies bleek dat net zoals de eigen naam het eigen gezicht makkelijker te
detecteren is, maar niet uit een reeks gezichten springt en niet meer afleidend is dan andere gezichten.
Meer onderzoek hieromtrent is noodzakelijk.7
Een evaluatie gebaseerd op vertoond gedrag is echter gevoelig aan fouten, en dit voor meerdere
redenen. Ten eerste, de onmogelijkheid om te bewegen of te spreken is een frequent gevolg van
chronische hersenschade en betekent niet noodzakelijk de afwezigheid van besef. Ten tweede is deze
evaluatie uiterst subjectief: gedrag zoals glimlachen en huilen zijn, in afwezigheid van stimulatie,
typisch reflexief en automatisch, maar in bepaalde omstandigheden kunnen ze nog de enige manier
van communicatie zijn voor de patiënt. Ten slotte is de positieve diagnose van vegetatieve toestand
afhankelijk van negatieve bevindingen, en dus kwetsbaar voor vals negatieve resultaten. Deze
moeilijkheden dragen bij tot een alarmerend hoog percentage van foute diagnoses (tot 43%).19,3,18
Functionele neurobeeldvormende studies worden nu uitgevoerd om neuronale activiteit in rust en
tijdens externe stimulatie te meten bij deze patiënten, om te komen tot een betere leidraad voor het
stellen van de diagnose. Bovendien stellen deze patiënten onderzoekers in staat om besef apart van het
wakker zijn te bestuderen, of met andere woorden een neuronale correlaat te zoeken voor dit besef.20,
22,7,23,3,19
16
Om de cognitieve functies te evalueren bij patiënten met stoornissen van het bewustzijn met
functionele beeldvorming worden activatiestudies gebruikt. Bijvoorbeeld een verhaal wordt verteld
door de moeder van de patiënt, of foto‟s van bekende gezichten worden getoond, en dan wordt
nagegaan welke hersengebieden hierbij geactiveerd worden.19 Op deze manier heeft men reeds in een
aantal recente casussen residuele cognitieve functie en zelfs bewust besef kunnen aantonen bij
patiënten die klinisch voldoen aan de criteria van vegetatieve toestand. Recent heeft men dit soort
experimenten uitgebreid, waarbij de patiënten gevraagd werden zich iets in te beelden. In een bekend
fMRI onderzoek van een vegetatieve patiënte, gaf men haar de instructie om zich in te beelden dat ze
„tennis speelt‟ en dat ze „in de kamers van haar huis aan het wandelen is‟. Deze werden gekozen, niet
alleen omdat ze een reeks fundamentele cognitieve processen inhouden die een weergave zijn van
bewust besef, maar ook omdat ze onderscheidbare patronen van activatie in specifieke regio‟s in de
hersenen weergeven. Inderdaad, in een grote groep gezonde vrijwilligers zag men dat ze de
identificatie toelaten van willekeurige hersenactiviteit (en dus van bewustzijn) zonder de nood aan
motorische responsen. Bij deze patiënte zag men neuronale responsen die niet onderscheidbaar waren
met deze geobserveerd in de gezonde vrijwilligers, waaruit de auteurs besluiten dat, ondanks dat ze
alle klinische criteria vervulde van vegetatieve toestand, ze de mogelijkheid behield om gesproken
bevelen te begrijpen en erop te reageren via haar hersenactiviteit, wat aantoont dat ze zonder twijfel
bewust is van haar omgeving en van zichzelf. Wanneer men deze patiënte zes maanden later opnieuw
onderzocht vertoonde ze tekens van een herstel uit VS. Dit suggereert dat vroeg bewijs van besef,
verkregen via functionele beeldvorming een belangrijke prognostische waarde zou kunnen hebben. De
fMRI resultaten gingen hier de klinische evolutie vooraf.23,7
Dergelijke studies suggereren dat de toekomstige integratie van functionele neurologische
beeldvorming met de bestaande klinische en gedragsmethoden essentieel zal zijn om de diagnostische
fouten te reduceren bij toestanden van verminderd bewustzijn. Bovendien zorgen ze voor nieuwe
prognostische indicatoren, belangrijk voor het voorspellen van de uitkomst en het kiezen van een
aangepaste therapie.7,23 Inderdaad, een recente fMRI studie van de spraakverwerkingsmogelijkheden
van 41 patiënten met DOC na hersenschade toonde aan dat de informatie verzameld met fMRI
waardevolle bijkomende informatie verschaft voor het stellen van de diagnose en bovendien zorgt
voor accurate prognostische informatie. Het bleek dat hoe hoger het niveau van spraakverwerking was
bij de patiënt, hoe meer kans deze had op een verbetering in gedragsprofiel 6 maand na onderzoek.
Hierbij is het belangrijk te vermelden dat een aantal patiënten na 6 maanden tekenen vertoonden van
herstel, waarbij echter geen hogere spraakverwerking was gezien op fMRI. Daarentegen vond men
geen vals positieve resultaten, wat betekent dat de fMRI zou kunnen zorgen voor gunstige
prognostische informatie. Verder onderzoek is echter noodzakelijk omtrent de vraag of een
behandeling, opgestart op basis van fMRI bevindingen, enig bijkomend effect heeft op herstel. Verder
17
onderzoek is ook nodig om gestandaardiseerde paradigma‟s te ontwikkelen die gebruikt kunnen
worden in de evaluatie van deze patiënten, en zo kunnen bijdragen tot een correcte diagnose.24
Een recente studie toonde aan de fMRI zelfs gebruikt zou kunnen worden als een „hersen-computer
interface‟ dat een real-time communicatie van gedachten toelaat: gezonde vrijwilligers leerden het
fMRI signaal te controleren met hun eigen fMRI signaal als feedback. Op deze manier zouden zowel
gezonde deelnemers als patiënten in staat kunnen zijn om hun gedachten te communiceren via het
moduleren van hun eigen neuronale activiteit.19 Monti et al deden verslag van gelijkaardige
bevindingen bij een fMRI studie op VS patiënten, waarbij 4 van de 23 patiënten in staat waren
„vrijwillig‟ hun eigen hersenactiviteit op bevel te kunnen wijzigen. Hierbij werd de patiënten gevraagd
zich „ja‟ of „nee‟ in te beelden in antwoord op een reeks autobiografische ja/nee vragen. Ze stelden dat
deze patronen van uitgelokte fMRI data gebruikt zouden kunnen worden als een uniek kanaal om te
communiceren met niet-responsieve patiënten. De risico‟s en voordelen van dit communicatiemiddel
moeten echter voldoende zorgvuldig bestudeerd worden.18
Maar ook andere onderzoeksmethoden kunnen een bijdrage leveren tot de diagnose, zoals het EEG. Er
bestaat nog veel onzekerheid over de oorzaken van abnormale EEG patronen. Toch wordt recent
geprobeerd bepaalde aspecten van deze EEG signalen te identificeren die geassocieerd zouden kunnen
zijn met bepaald gedrag of uitkomsten bij patiënten met DOC. Ook werd de prognostische waarde van
het rust EEG reeds aangetoond. Een aantal andere studies hebben zich geconcentreerd op cognitieve
gebeurtenis gerelateerde potentialen (ERP‟s) als een manier om besef aan te tonen. Een populaire
stimulus die gebruikt wordt in deze cognitieve taken is de eigen naam van de patiënt. Inderdaad, in een
aantal patiënten veroorzaakte dit een selectieve neuronale respons.21 Een interessante potentiaal hierbij
is de P300 golf(350ms), wat zich voordoet wanneer personen een zeldzame en onvoorspelbare
stimulus detecteren in een regelmatige reeks van standaardstimuli. Het zou een weergave zijn van de
identificatie van een stimulus. Deze golf daalt wanneer gewilde aandacht vermindert, en het is
voornamelijk groot wanneer de afwijkende stimulus een woord is, wanneer het belangrijk is voor de
persoon (bv eigen naam) en nog meer wanneer het uitgesproken wordt door een bekende stem. Tijdens
slaap ontstond een P3 golf bij de presentatie van de eigen naam, wat suggereert dat de identificatie van
zelf-gerelateerde stimuli aanwezig blijft. Men onderzocht dit dan ook in patiënten in vegetatieve
toestand, MCS en in LIS. Er ontstond een P3 golf in alles LIS patiënten, alle MCS patiënten en in 3
van de 5 VS patiënten. De P3 latentie was echter vertraagd bij de MCS en VS, wat kan wijzen op een
tragere verwerking. Ook in pathologisch coma kan soms een P3 geobserveerd worden. Maar wat leert
een behouden P300 in respons op de eigen naam ons in verband met bewustzijn? Deze P300 respons
bij de patiënten zou inderdaad kunnen een expliciete herkenning weergeven, maar het zou ook enkel
de correlaat kunnen zijn van een impliciete respons van „automatisch‟ spraakbegrip dat geen
zelfbewustzijn of zelfs totaal bewustzijn nodig heeft. Een hersenrespons op zelf referentiele stimuli
zou dus kunnen, maar is het niet noodzakelijk, een teken zijn van zelfbewustzijn.7
18
Het bepalen van een accurate prognose voor VS en MCS is belangrijk voor het bepalen van een
aangepaste behandeling en voor het informeren van de familie.18 De prognose hangt voornamelijk af
van leeftijd, etiologie en de tijd sinds hersenletsel samen met scores op de Glasgow coma schaal,
somatische ERP‟s en EEG van de patiënt.3 Jonge leeftijd en een traumatische, eerder dan een
hypoxisch-ischemische etiologie verbeteren de prognose.5 De prognostische richtlijnen, opgesteld door
de Multi Society Task Force in 1994 zijn nu algemeen aanvaard, waarbij een zeer lage
waarschijnlijkheid word vooropgesteld voor herstel van besef een keer VS aanwezig is een jaar na
trauma, of 3 maand na hypoxische-ischemische neuronale schade. Prognostische indicatoren voor
MCS als een groep is nog niet opgesteld. Opkomende fMRI data zouden ook de prognose kunnen
beïnvloeden, zoals eerder beschreven.18
Gespecialiseerde rehabilitatie units zijn de optimale behandelingskeuze voor patiënten met chronisch
DOC, op zijn minst tot ze niet langer verbeteren. Het verschil tussen patiënten in VS en MCS in hun
respons op een behandeling met stimulatie is opvallend: patiënten met VS verbeteren zelden ten
gevolge van stimulatie, terwijl MCS patiënten toch tot op een bepaalde hoogte kunnen verbeteren.
Behandelingsmodaliteiten omvatten omgevings- en sensorische stimuli zoals geluiden, reuk,
aanraking, beelden en muziek, farmacologische stimuli zoals stimulerende middelen, levodopa,
dopamine agonisten en SSRI‟s en elektrische stimuli, met name stimulatie van mediale thalamische
nucleï. Elk van deze modaliteiten heeft aangetoond dat ze functionele responsiviteit in sommige MCS
patiënten verbeteren. Het gepaste niveau van behandeling van deze patiënten is afhankelijk van hun
diagnose, prognose, en eerder vastgelegde waarden en voorkeuren i.v.m. de behandeling. De kwestie
van lijden is hierbij ook relevant bij het maken van beslissingen. De meeste autoriteiten zijn het erover
eens dat VS patiënten niet in staat zijn te lijden, aangezien ze geen besef hebben en dus geen
ervaringen kunnen hebben. Dit wordt echter minder zeker wanneer men de recente fMRI data van een
aantal VS patiënten in acht neemt, waarbij wel een zekere graad van besef zou kunnen aanwezig zijn.
Iedereen is het er over eens dat MCS patiënten kunnen lijden. Toegepaste palliatieve zorg is hier dus
zeker op zijn plaats wanneer beslist wordt de levensverlengende therapie stop te zetten.18
4.1.4.2.3
Studie van de hersenen bij VS en MCS
Met behulp van PET en SPECT zag men dat in de vegetatieve toestand het globale hersenmetabolisme
verminderd is met 50-60%. Echter, de relatie tussen globale niveaus van hersenfunctie en aan-of
afwezigheid van besef is niet absoluut, aangezien sommige patiënten een normaal metabolisme
hadden, en sommige vrijwilligers een metabolisme vergelijkbaar met deze van de patiënten. In
sommige patiënten werden geïsoleerde „eilandjes‟ van metabolisme geïdentificeerd in omschreven
regio‟s van de cortex, wat een mogelijkheid van cognitieve verwerking suggereert.23,20 Deze gebieden
zijn ook deze die het vaakst reactiveren wanneer een patiënt terug bij bewustzijn is.20
19
Bepaalde gebieden in de hersenen zijn dus belangrijker dan andere voor het bewust besef. Men vond
bij post-mortem analyse van vegetatieve patiënten dat hersenstam en hypothalamus, en ook het
reticulair activerend systeem grotendeels gespaard waren gebleven. Meestal wordt VS veroorzaakt
door wijdverspreide lesies van grijze stof in de neocortex en de thalamus, door wijdverspreide schade
aan witte stof en diffuse axonale schade, of door bilaterale lesies aan de thalamus, vooral van de
paramediane thalamische nuclei. Het is onduidelijk of schade aan de thalamus vooral een
weerspiegeling is van diffuse corticale schade of dat het op zich persistent verlies van bewustzijn kan
veroorzaken. Men vond bij deze patiënten een metabole dysfunctie in een wijd frontopariëtaal netwerk
dat de polymodale associatieve cortices omvat: laterale en mediale frontale regio‟s bilateraal, parietotemporale en posterieure pariëtale gebieden bilateraal, posterieure cortex van het cinguli en precuneale
cortex, die gekend zijn als het meest actief bij „default‟ in rust.20
Huidige analysetechnieken laten nu ook de evaluatie toe van veranderingen in functionele integratie,
met andere woorden het meten van verschillen in functionele cerebrale connectiviteit tussen
vegetatieve patiënten en gezonde controles. Besef blijkt niet enkel gerelateerd te zijn aan activiteit in
het frontopariëtaal netwerk, maar even belangrijk is de functionele connectiviteit binnen dit netwerk
en met de thalamus. Cellen in de interlaminaire nuclei van de thalamus projecteren diffuus naar de
cortex waar ze coherente hoge frequentie oscillaties faciliteren. Dergelijke cellen zouden zeer
belangrijk kunnen zijn voor de effectieve interacties tussen vele corticale gebieden: als hun functie
verloren is kunnen patiënten vegetatief blijven hoewel hun corticaal weefsel relatief intact is.
Functionele ontkoppelingen in lange afstand cortico-corticale en cortico-thalamo-corticale paden zijn
inderdaad geïdentificeerd in de vegetatieve toestand. Bovendien gaat herstel ervan samen met een
functioneel herstel van het frontoparietaal netwerk en sommige van zijn cortico-thalamo-corticale
verbindingen, namelijk tussen intralaminaire thalamische nuclei en prefrontale en anterieure cortex
van het cinguli, zoals geobserveerd met fMRI.20,18
Er zijn hersengebieden die nog steeds activatie vertonen tijdens externe stimulatie bij vegetatieve
patiënten. PET en fMRI studies hiervan hebben een duidelijke post-stimulus activatie aangetoond in
de hersenstam, thalamus en primair somatosensorische cortex. Hogere orde wijdverspreide corticale
netwerken, voornamelijk de precuneus, werden echter niet geactiveerd. Bovendien was de primaire
somatosensorische cortex geïsoleerd van het frontopariëtale netwerk, wat vermoedelijk noodzakelijk is
voor bewuste perceptie. Dit wijst erop dat neuronale activiteit in primaire cortex noodzakelijk maar
niet voldoende is voor besef.20,2,7
Fernandez-espejo et al toonden bovendien significantie verminderingen van thalamisch volume aan bij
VS en MCS patiënten, voornamelijk in het dorsaal lichaam van de thalamus voor MCS patiënten, met
een meer wijdverspreide bilaterale atrofie bij de VS patiënten. Niet alleen stelt dit het belang van de
20
thalamus en zijn connectiviteit met de cortex in het licht, ook zorgt het voor een mogelijk diagnostisch
middel voor het objectief bepalen of een patiënt zich in VS of MCS bevindt.21
Inderdaad, de VS en MCS worden beschouwd als afzonderlijke klinische entiteiten, maar hun
differentiaaldiagnose blijft een uitdaging. Beeldvormende studies kunnen ook hierbij een hulp zijn. In
een PET studie op 15 VS patiënten, 5 MCS patiënten en 15 controles werden veranderingen in
regionale bloedstroom na eenvoudige auditieve en pijnlijke stimuli onderzocht. Bij de VS patiënten
vond men activatie in de primaire, maar niet in de hogere orde associatiegebieden. Deze
geobserveerde activatie bij de VS patiënten zou kunnen een resterende neuronale codering weergeven
van basisgeluiden, maar zonder verdere functionele integratie. MCS patiënten daarentegen vertoonden
activatie vergelijkbaar met die van de controles. Functionele connectiviteitsanalyse toonde dat de
MCS patiënten grotere interacties vertoonden tussen auditieve associatiegebieden en een wijd corticaal
netwerk, wat waarschijnlijk een meer uitgebreide auditieve verwerking vertegenwoordigt,
noodzakelijk voor bewuste perceptie. In een studie van een MCS patiënt met PET toonde de
presentatie van de eigen naam een meer wijdverspreide activatie dan betekenisloos geluid, waaronder
temporele, pariëtale en frontale associatiegebieden. Ook werd een P300 opgevangen na de presentatie
van de eigen naam, en niet na andere namen.7,26 Onderzoek van de corticale reactie op pijnlijke
elektrische stimulatie toonde gelijkaardige resultaten.26 Met behulp van fMRI kwam men tot
gelijkaardige bevindingen. Hierbij gebruikte men de eigen naam, uitgesproken door een bekende stem
om residuele hersenfunctie op te sporen bij patiënten met VS en MCS. Deze lokten bij de patiënten
met VS activatie uit in primair auditieve cortex. Echter, in 2 van de 7 onderzochte VS patiënten
ontstond ook activatie in hogere orde associatieve temporele gebieden. Dit laatste werd ook gezien in
alle MCS patiënten. Enkel de 2 VS patiënten die een uitgebreidere activatie vertoonden evolueerden
naar MCS 3 maand na de scanning. Volgens de auteurs bevonden deze patiënten zich reeds in de
MCS, maar konden gedragsparameters dit nog niet aantonen. fMRI heeft dus een grotere gevoeligheid
om cognitieve verwerking aan te tonen bij deze patiënten en bevat een belangrijke prognostische
waarde, waarbij deze resultaten mogelijks verder herstel inluiden.25,7,20,25
4.1.4.2.4
Slaap in de vegetatieve toestand
Slaap gaat bij gezonde individuen gepaard met een goed gedefinieerd EEG patroon, en is verdeeld in
goed omschreven stadia en cycli. In DOC echter geven oscillaties op het EEG niet meer dezelfde
cellulaire mechanismen weer als in normale fysiologische slaap. Criteria voor verschillende slaap
stadia in DOC zijn ongedefinieerd. Toch is het belangrijk deze criteria te definiëren aangezien de
evaluatie van biologische ritmes bij deze patiënten belangrijk is voor diagnose en prognose.3
Studies van coma suggereren dat de aanwezigheid van EEG patronen lijkend op deze van slaap
betrouwbare markers zouden kunnen zijn voor een gunstige uitkomst. Men zag prognostische
verschillen gebaseerd op de evaluatie van EEG, motorische en autonome veranderingen. Men stelt
21
dus dat hoe meer de hersenactiviteit van de comateuze patiënt lijkt op normale gezonde slaap, hoe
beter de prognose. De studie van slaap is bovendien belangrijk bij DOC met verschillende etiologie
omdat het relaties kan aantonen tussen bepaalde EEG patronen en functionele neuroanatomie. (bv
behoud van circadiaanse organisatie van slaappatronen als indicatie van normale hypothalamus
functie)3
Studies van slaap in VS patiënten zijn schaars. Hersenstam mechanismen verantwoordelijk voor slaapwaak cycli zijn grotendeels behouden in VS (de aanwezigheid van slaap-waak cycli is nodig voor de
klinische diagnose). Slaap activiteit op het EEG zou kunnen gerelateerd zijn aan zowel de ernst van
het letsel als aan herstel. De studies suggereren dat dit net als voor coma een mogelijke marker is voor
een goede uitkomst. Meer studies zijn echter noodzakelijk. Studies van slaap bij MCS zijn tot op
heden nog niet uitgevoerd.3
4.2 Neuronale correlaten van het bewustzijn (NCC)
De NCC wordt besproken in drie verschillende onderdelen. Eerst wordt dieper ingegaan op de
anatomie van de NCC, gebieden in de hersenen die mogelijks verantwoordelijk zijn voor bewustzijn.
Men is het er over het algemeen reeds over eens dat de werking van bepaalde regio‟s niet voldoende is
voor het ontstaan van bewustzijn, ook specifieke neurofysiologische mechanismen zijn hiervoor
noodzakelijk. Dit wordt besproken in het tweede deel. Tenslotte worden enkele theorieën over hoe het
bewustzijn dan uiteindelijk zou ontstaan besproken, met hun bijhorende anatomie en fysiologie. Deze
theorieën trachten te verklaren waarom bepaalde structuren en processen wel en andere niet bijdragen
tot het bewustzijn. Op basis van deze theorieën zou men dan vragen kunnen beantwoorden zoals: Is
bewustzijn aanwezig in dieren die een zenuwstelsel hebben dat aanzienlijk verschilt van het onze? Of
in geautomatiseerde robots die zich intelligent gedragen maar zich op een totaal verschillende manier
gedragen als het menselijk brein?6
4.2.1
Een lokalisatie voor de NCC
Men weet reeds lange tijd dat het RAAS systeem in de hersenstam belangrijk is voor waakzaamheid,
voor arousal. Sindsdien is echter een meer complex beeld ontstaan, waarbij het RAAS systeem niet
langer gezien wordt als één bepaalde unit, enkel bestaand uit de reticulaire kernen in de hersenstam,
maar verder reikend dan de hersenstam, met verbindingen naar het ruggenmerg en beide cerebrale
hemisferen. Veel van de invloed van deze wegen wordt bemiddeld door de thalamus, wat gezien kan
worden als de apex van het RAAS systeem, maar ook als een kritische synaptische relais voor de
meeste sensorische en vele intracerebrale wegen. Eerder dan het ontdekken van één enkele plaats waar
het bewustzijn ontstaat, heeft het onderzoek van deze structuren geleid tot de identificatie van een
reeks van knopen in een complex netwerk. Het zou dan ook verrassend zijn dat functies zo
22
fundamenteel als waakzaamheid en bewustzijn slechts afhankelijk zijn van één enkele regio in de
hersenen.5
4.2.1.1 Het thalamocorticaal netwerk
Het meest consistente regionale effect van anesthetica bij het verlies van bewustzijn is een reductie
van thalamisch metabolisme en bloedstroom, wat suggereert dat de thalamus zou kunnen dienen als
een soort schakelaar van het bewustzijn. Inderdaad zijn dergelijke effecten gevonden bij manipulaties
van de thalamus. Toch vermindert de activiteit in de thalamus niet bij alle anesthetica waaruit men
afleidt dat de effecten van anesthetica op de thalamus grotendeels indirect zouden kunnen zijn.
Spontaan afvuren in de thalamus wordt grotendeels gedreven door feedback van corticale neuronen,
voornamelijk anesthetica-gevoelige laag V cellen. Veel van deze cellen projecteren ook naar
hersenstam arousal centra, dus corticale deactivatie zou zowel een verminderde thalamische activiteit
als verminderd arousal kunnen veroorzaken. De effecten van anesthetica op de thalamus zouden dan
een
„uitlezing‟
vertegenwoordigen
van
globale
corticale
activiteit
eerder
dan
een
bewustzijnsschakelaar, en thalamische activiteit zou niet voldoende zijn voor bewustzijn. Toch mag de
rol van de thalamus niet volledig verworpen worden. Misschien vereist efficiënte communicatie tussen
corticale gebieden een thalamisch relais. Dit zou betekenen dat letsels van de thalamus zouden leiden
tot een functionele ontkoppeling, ondanks een geactiveerde cortex. Met andere woorden, corticale
activatie zou kunnen bestaan zonder de thalamus, maar bewustzijn niet.2
Evans B.M. stelt dat de thalamus en cortex deel uitmaken van twee systemen, namelijk een globaal en
een gebiedsspecifiek systeem. Anatomische studies van thalamocorticale netwerken in de rhesusaap
beschrijven twee aparte systemen: één linkt specifieke corticale gebieden met specifieke thalamische
nuclei, de andere is aanwezig doorheen gans de cortex en verbindt het met een diffuse matrix van
thalamische cellen. Het specifieke netwerk is aanwezig in de middelste corticale lagen, terwijl het
globale netwerk de meest oppervlakkige laag beslaat, en vanuit laag vijf diffuus projecteert naar
thalamische nuclei. Andere studies beschrijven tweeledige modi van thalamische functie, waarbij de
thalamus enerzijds werkt als een relais systeem, dat informatie doorgeeft aan de cortex, en anderzijds
in een oscillatorische modus, waarbij ritmes worden gegenereerd. Dit zorgt ervoor dat gamma
frequenties wijd verspreid worden doorheen de cortex. Het is voorgesteld dat gamma golven coherent
zouden worden tussen twee verschillende corticale gebieden wanneer zij actief zijn op hetzelfde
moment, en zouden dus kunnen geassocieerd zijn met de verspreiding van informatie binnen de
cortex. Dit proces noemt men „temporele binding‟ en wordt gezien als essentieel voor corticale
integratie. Dit wordt verder besproken bij de neurofysiologie van bewustzijn. De beide netwerken
zouden samen moeten werken om effectief te zijn. Het zou kunnen dat deze twee thalamocorticale
netwerken ten grondslag liggen aan het bewustzijn.4
4.2.1.2 Multimodale associatieve cortex
23
In een reeks experimenten werd gebruik gemaakt van perceptuele illusies waarbij de stimulus
gefixeerd blijft terwijl de perceptie ervan fluctueert. Een voorbeeld hiervan is binoculaire wedijver:
een kleine figuur, bijvoorbeeld een horizontale lijn, wordt getoond aan het linker oog, en een andere
figuur, bijvoorbeeld een verticale lijn, wordt getoond aan het rechter oog. Ondanks dat het hier gaat
om een constante visuele stimulus, zien de proefpersonen de ene figuur afgewisseld met de andere. De
hersenen laten het als het ware niet toe om beide figuren tegelijkertijd te percipiëren. Tijdens deze
proef heeft men de activiteit van de visuele corticale gebieden opgenomen. In de primaire visuele
cortex(V1) was er slechts een klein aantal cellen die een zwakke verandering vertoonden in de respons
in functie van de perceptie. In de hogere niveau corticale gebieden daarentegen, zoals de inferieure
temporele cortex, reageerden bijna alle neuronen enkel op de perceptueel dominante stimulus.
Bijvoorbeeld wanneer links een gezicht wordt getoond en rechts een abstracte figuur, gaan de
“gezicht” cellen enkel afvuren wanneer de proefpersoon ook werkelijk het gezicht ziet.12,6
Deze experimenten tonen aan dat activiteit in de bovenste stadia van visuele verwerking (bijvoorbeeld
het fusiforme gezicht gebied) de perceptie volgt en niet alleen de retinale stimulus. Er is een levendig
debat gaande over de mate waarin neuronen van de primaire visuele cortex enkel de visuele stimulus
coderen of ook bijdragen tot de bewuste perceptie ervan. Of met andere woorden, of V1 een onderdeel
is van de NCC. Het is duidelijk dat retinale neuronen geen deel zijn van de NCC, aangezien de
activiteit van retinale ganglioncellen niet overeenkomt met visuele ervaring (bijvoorbeeld de blinde
vlek, of het zien van beelden tijdens het dromen) Hier ziet men dat de activiteit in V1 niet rechtstreeks
correleert met de bewuste perceptie van de stimulus. In die zin hoort veel van de neuronale activiteit in
V1 waarschijnlijk niet tot de NCC. Bovendien zou het goed kunnen zijn dat geen enkele primair
sensorische cortex rechtsreeks bijdraagt tot het sensorisch bewustzijn, zoals gesuggereerd wordt in
PET onderzoeken van patiënten in permanente vegetatieve toestand, waarbij stimuli sterke maar
gelokaliseerde activiteit veroorzaakten in primair auditieve en somatosensorische cortices.7
Dit groot frontopariëtaal hogere orde netwerk, dat bilaterale frontale en temporo-pariëtale associatieve
cortexen omvat kan onderverdeeld worden in verschillende delen met verschillende functies. Met
name in een netwerk betrokken in zelfbesef (het interne middellijn „default‟ netwerk met
precuneus/posterior cinguli, mesas-frontale/anterior cinguli, en temporo-pariëtale cortex, een netwerk
dat actief is in rust en betrokken zou zijn in globale monitoring van het interne milieu en verschillende
functies gerelateerd aan de eigen persoon.) en een extern meer lateraal en dorsaal
frontopariëtotemporeel netwerk betrokken in besef van de omgeving. Activiteiten van beide zijn
omgekeerd gecorreleerd. fMRI studies vonden reeds een gedaalde corticocorticale connectiviteit
specifiek in het interne netwerk bij patiënten met DOC. Neuronale activiteit in deze gebieden is ook
veranderd tijdens aanvallen geassocieerd met een verstoord bewustzijn en in slaap. Men vond een
correlatie tussen deze connectiviteit en het niveau van bewustzijn. Functionele connectiviteitsstudies
tijdens anesthesie toonden een gedaalde cortico-corticale connectiviteit in interne en externe
24
netwerken. Dus functionele connectiviteit in lage niveau netwerken blijkt onafhankelijk te zijn van het
niveau en inhoud van bewustzijn. De connectiviteit tussen deze en hogere orde associatiecortex en de
connectiviteit binnen het interne netwerk toont een correlatie met gedaald bewustzijn.
Thalamocorticale connectiviteit volgt dezelfde onderverdeling met behouden verbinding tussen
thalamus en primaire cortex en verstoorde verbindingen tussen thalamus en intern en extern
frontopariëtaal netwerk.27,28,2
In een fMRI studie werd de algemeenheid getest van deze frontopariëtale activiteit voor de
verschillende sensorische modaliteiten door het onderzoeken van bewuste visuele en auditieve
perceptie. Men vond daarbij dat vergelijkbare frontale regio‟s gerelateerd waren met bewuste perceptie
in beide domeinen. Echter, posterieure hersenactiviteit was domeinselectief met occipitotemporele en
pariëtale activiteit voor visuele stimuli en superieure temporele activatie voor auditieve stimuli. De
auteurs suggereren daarom dat frontale regio‟s interageren met posterieure regio‟s op een
modaliteitsspecifieke manier om perceptueel besef te creëren in de verschillende sensorische
modaliteiten. Wanneer bijvoorbeeld gezichtsneuronen in het fusiform gebied eerst geactiveerd
worden, zouden we een gezicht niet bewust waarnemen. (Wel gebeurt een onbewuste categorisatie als
een gezicht) Wanneer echter deze gezichtsselectieve neuronen een terugkerend signaal ontvangen van
een hoger gebied, zoals bijvoorbeeld de frontale cortex, zou het gezicht zichtbaar worden.6
Verschillende frontale regio‟s werden reeds geïdentificeerd in relatie met perceptueel besef, elk met
eigen specifieke functies. Een voorbeeld hiervan is de DLPFC, dat reeds vaak werd geobserveerd in
verschillende studies naar bewuste perceptie. De auteurs suggereren dat posterieure regio‟s de
specifieke inhoud van bewustzijn definiëren, terwijl de frontale regio‟s noodzakelijk zijn om hier een
besef van te krijgen. Verder vond deze studie dat één keer de modaliteitsspecifieke frontoposterieure
interacties een perceptie hadden gedefinieerd, een amodaal hersensysteem bijdroeg tot het actief
behouden van deze perceptie in de geest. Namelijk, voor zowel visuele als auditieve stimuli werd een
netwerk, waaronder frontopariëtale regio‟s, geactiveerd tijdens onderhouden perceptie. Waarschijnlijk
heeft het onderhouden van deze perceptie werkgeheugen en/of aandachtstoename nodig, en eerdere
studies vonden dat deze processen een gelijkaardig frontopariëtaal netwerk activeerden bij vele
verschillende soorten stimuli.29
Volgens Bodovitz kan het bewustzijn zelfs volledig toegekend worden aan de DLPFC. De auteur stelt
dat het bewustzijn eigenlijk opgedeeld is in verschillende stappen, wat gebaseerd is op de observatie
dat er een vertraging bestaat tussen sensorische perceptie en bewust besef. Continu bewustzijn ontstaat
dan door het volgen van de veranderingen tussen verschillende cyclussen van cognitie. Op deze
manier worden als het ware bewustzijnsvectoren gevormd. De vorming van deze cognitieve vectoren
is analoog aan de vorming van bewegingsvectoren, die beweging toevoegen aan anders enkel een
reeks van verschillende stilstaande beelden. Zelfs al is een bepaald beeld statisch, kunnen we dit toch
waarnemen dankzij de constante beweging van onze ogen, via tremoren en microsaccaden. Als deze
25
bewegingen verwijderd worden dan verwordt visuele perceptie tot een homogeen veld. Zonder
bewegingsvectoren wordt visie enkel een reeks van statische beelden, zoals in de aandoening
akinetopsie of visuele bewegingsblindheid. Hierbij worden anders heel eenvoudige taken, zoals het
volgieten van een kop koffie, extreem moeilijk. Het kopje is halfvol, en het volgende moment loopt
het over, zonder enige perceptie van het moment daartussen. Hetzelfde zou zich voordoen zonder
bewustzijnsvectoren, elke cognitieve cyclus zou zich voordoen als een statisch beeld. Eigenlijk zou het
nog verder gaan dan dat, het bewustzijn zou volledig desintegreren. Men zou geen temporele
integriteit hebben, geen coherentie in de ervaringen, geen gevoel van zelfbewustzijn, herhaaldelijk
bevroren in de tijd van de ene naar de volgende cyclus. Indien dit inderdaad het geval is, dan is men
zich enkel bewust van veranderingen in de onderliggende cognitie.30
De meest waarschijnlijke hersenregio voor het berekenen van deze vectoren is de dorsolaterale
prefrontale cortex (DLPFC). De activiteit hiervan is namelijk gecorreleerd met het besef van
verandering. Het DLPFC berekent bewustzijnsvectoren door het monitoren van veranderingen in de
cognitieve representaties die behouden worden in het werkgeheugen. Inactiviteit van de DLPFC en
andere associatiegebieden ziet men in slaap, zowel REM als NREM, waaruit men besluit dat deze
inhibitie noodzakelijk is voor het uitschakelen van bewustzijn. Toch hebben we bewuste ervaringen
van dromen wanneer we wakker worden uit REM slaap, hoewel deze ervaringen meestal transiënt
zijn. Dit suggereert dat er een intermediaire toestand bestaat, waarbij de DLPFC een verminderde
en/of transiënte activiteit heeft. Deze intermediaire toestand wordt ondersteund door het bekijken van
de kwaliteit van dromen. Bijvoorbeeld op één moment ben je aan het wandelen met een oude vriend in
het park en het volgende moment ben je te laat om het vliegtuig te nemen. De continuïteit is
verminderd en/of transiënt. Bovendien ontwikkelt de laterale prefrontale regio zich later en verder dan
de andere prefrontale regio‟s. Dit alles wijst er volgens de auteur op dat de DLPFC de neuronale
correlaat is van bewustzijn.30
4.2.2
Bewustzijn en neuronale dynamica
4.2.2.1 Onderhouden versus fasische activiteit.
Mogelijks draagt neuronale activiteit enkel bij tot bewustzijn als het onderhouden wordt voor een
minimale tijdsperiode, mogelijks rond de enkele honderd ms. Inderdaad, het „nu‟ van de ervaring
ontplooit zich in een tijdsschaal tussen tientallen en honderdtallen ms. en in sommige aspecten zelfs
tot één of twee seconden. Stimuli zouden slechts zichtbaar worden wanneer een onderhouden golf van
activatie zich verspreid door een verdeeld netwerk van corticale associatiegebieden. Dit zou kunnen de
reden zijn waarom snelle reflexen kunnen optreden buiten het bewustzijn. Snelle reflexachtige
responsen treden ook op in de cerebrale cortex.6
Het visueel systeem zou opgebouwd zijn uit twee stromen, een ventrale occipitotemporele stroom voor
voorwerp identificatie, voor de ontwikkeling van een visuele wereld en een dorsale occipitopariëtale
26
stroom voor visueel geleide actie, in afwezigheid van visueel besef.31 De actiegerichte dorsale visuele
stroom past bewegingen snel aan zonder dat het bewust wordt waargenomen. Daarentegen zijn
onderhouden patronen noodzakelijk voor de ventrale stroom om een stabiele representatie op te
bouwen van de visuele omgeving. Als dan deze ventrale stroom verplicht wordt om zich op een
reflexmatige manier te gaan gedragen, stopt het met een deel te vormen van de NCC. Dit kan bereikt
worden via het uitvoeren van ultrasnelle categorisaties. In dit geval ontstaat een snelle neuronale
activiteit die zich voortbeweegt via vooruitgaande verbindingen door de hiërarchie van het visueel
systeem. Dit blijkt voldoende te zijn voor de evaluatie van oriëntatie, beweging, diepte, kleur, vorm en
zelfs dieren, gezichten of plaatsen, terwijl het onvoldoende is om een bewuste perceptie te
ontwikkelen. Dus, bewustzijn zou vereisen dat neuronale activiteit in welbepaalde hersenstructuren
voortduurt voor een minimale periode, mogelijks zoveel als nodig is om interacties mogelijk te maken
tussen verschillende gebieden.6,31
Aan de andere kant bestaan er echter ook gegevens die eerder wijzen in de richting van een fasisch
afvuren van neuronen als correlaat van de bewuste ervaring. Bewijs voor het belang van transiënte
activatie van neuronen in het zichtbaar worden van stimuli komt van de studie van microsaccaden
(=de kleine, onwillekeurige bewegingen die onze ogen voortdurend maken). Als microsaccaden
uitgeschakeld worden door beeld stabilisatie op de retina, worden deze onbeweeglijke beelden
volledig onzichtbaar. Dit komt overeen met de hypothese dat microsaccaden noodzakelijk zijn voor
het zicht. Men mag echter niet vergeten dat het belang van fasisch afvuren voor het besef van stimuli
enkel aangetoond is voor vroege visuele cortex: zoals we eerder zagen ligt de NCC waarschijnlijk
ergens anders. Het zou kunnen dat dit fasisch afvuren niet belangrijk is op zichzelf, maar dat het
effectief is om downstream gebieden te activeren, gebieden die wel rechtstreeks verbonden zijn met de
NCC. In deze gebieden zelf zou echter volgehouden afvuren noodzakelijk zijn.6
LaBerge et al. stellen dat onderhouden activiteit in een primair sensorisch gebied de voortdurende
activiteit voorziet noodzakelijk voor het achtergrond bewustzijn van dat bepaalde zintuig.
Toegenomen bewustzijn voor geselecteerde aspecten van deze achtergrond ontstaat wanneer
onderhouden activiteit van primair sensorisch gebied wordt gezonden naar hogere sensorische
gebieden, waar een geselecteerd deel van de sensorische scène wordt vermenigvuldigd door aandacht
afkomstig van de activiteit in frontale lobben. Dit noemt men voorgrond bewustzijn. Deze
onderhouden activiteit wordt tot stand gebracht door corticothalamische circuits die dus aan de basis
liggen van de uitgebreide duur van bewustzijn. De gelijktijdige indrukken van zowel voorgrond als
achtergrond bewustzijn vormen dan de inhoud van bewustzijn op dat moment.32 Aandacht zou dus een
groep mechanismen zijn waarbij de hersenen een deel van de sensorische informatie selecteert voor
hogere orde verwerking.6
4.2.2.2 Terugkerende of vooruitgaande activiteit.
27
Het is echter ook mogelijk dat niet het onderhouden afvuren van neuronen verantwoordelijk is voor
het besef van een stimulus, maar eerder een steeds terugkerende golf van activiteit van hogere naar
lagere corticale gebieden. In deze visie wordt een stimulus die een vooruitgaande activiteit veroorzaakt
niet bewust waargenomen, dit gebeurt pas wanneer deze activiteit gepaard gaat met een terugkerende
golf van activiteit. Bij deze terugkerende processen wordt als het ware de lus tussen vroegere en
huidige activiteit, of tussen voorspelde en eigenlijke versies van de input gesloten. Men denkt dat de
late ERP responsen (P300) terugkerende signalen weergeven vanuit hogere gebieden, hoewel andere
studies dit dan weer tegenspreken.6 Bij een EEG studie met anesthetica zag men een afname in
recurrente functionele verbindingen bij verlies van bewustzijn en een toename ervan bij de terugkeer
van het bewustzijn. Hieruit besloot men dat het verwerken van informatie, dat bijdraagt tot bewuste
cognitieve functies, het recurrent signaliseren via vooruitgaande en terugkerende lussen omvat tussen
hierarchisch georganiseerde functionele regio‟s van de cerebrale cortex. Specifieke hersenregio‟s
waaronder onder andere supramodale associatiegebieden in de frontale en posterieure pariëtale cortex
worden naar voor gebracht als sleutelgebieden voor de integratie van deze signalisatie. Vooruitgaande
informatie vertegenwoordigt waarschijnlijk een pre-bewust proces. Met andere woorden, de hersenen
van een proefpersoon onder algemene verdoving kan verdergaan met het verwerken van informatie via
vooruitgaande projecties, maar dit gebeurt in de afwezigheid van bewustzijn.28
Er zou hiervoor ook een andere verklaring, speculatief echter, naar voor gebracht kunnen worden.
Volgens het vrije energie principe wisselen biologische systemen energie en entropie uit met de
omgeving om hun vrije energie te doen dalen. Ze kunnen onderhandelen met een veranderende
omgeving op een manier dat hen toelaat hun fysieke integriteit te behouden over een behoorlijke
tijdsperiode. Ze werken in op de omgeving om hun positie erin te veranderen, of ermee te interageren,
op een manier dat extremen van temperatuur, druk en andere externe velden uitsluit. Dit blijven
bestaan betekent dat ze fase transities vermijden dat anders hun fysieke structuur zou veranderen. Fase
transities in fysica zijn geassocieerd met een scherpe transiënte toename van bepaalde parameters
gerelateerd met de orde van een systeem. Volgens dit principe zou het verlies en herwinnen van
bewustzijn verbonden zijn aan een abrupte transitie in de toestand van de hersendynamica.
Onderzoekers ontworpen computer simulaties van corticale neuronale systemen en toonden de
aanwezigheid aan van een fase transitie bij een kritische dosis anesthetica. De scherpe toename van
functionele, terugkerende verbindingen bij terugkeer van bewustzijn, en het omgekeerde bij het verlies
ervan, is mogelijks een teken van een dergelijke fase transitie. De geldigheid van dit voorstel is
afhankelijk van het bekijken van bewustzijn als binair, in tegenstelling tot gegradeerd, zoals bij een
aantal andere theorieën. Mogelijks zijn beide visies waarheid: Bewustzijn en bewusteloosheid zijn
twee verschillende toestanden, maar de bewuste toestand is gegradeerd, waarbij de laagste toestand
van „arousal‟ praktisch niet te onderscheiden is van de onbewuste toestand.28,33
4.2.2.3 Synchronisatie en oscillaties.
28
Een andere belangrijke visie is dat bewustzijn de synchronisatie van grote populaties van neuronen
vereist, dit op een fijne temporele schaal, verspreid over vele corticale gebieden en via ritmische
ontladingen in het gamma gebied. Dit stimulus-specifiek gesynchroniseerd afvuren in het
gammagebied wordt sterk vergemakkelijkt wanneer de mesencefalische reticulaire formatie
gestimuleerd wordt. Ook aandacht vergemakkelijkt dit proces. De nadruk op synchronisatie past goed
in het algemene probleem van „binding‟, het verklaren hoe ruimtelijk verspreide neuronale activiteit
kan correleren met een schijnbaar enkelvoudige ervaring. In dit opzicht lijkt synchronisatie ideaal
geschikt om verwantschap aan te geven. Bijvoorbeeld in de aanwezigheid van een rood vierkant, gaan
sommige neuronen reageren op de aanwezigheid van een vierkant en andere op de aanwezigheid van
de kleur rood. Als deze neuronen dan synchroniseren in een snelle tijdsschaal, geven ze aan dat er en
rood vierkant is. Verwantschap alleen signaleren via een toename van de afvuursnelheden daarentegen
zou logger en trager zijn. Modellen op grote schaal voorspellen dat synchronisatie in het gammagebied ontstaat via reciproke verbindingen en lussen binnen het thalamocorticaal systeem.6
Tijdens diepe slaap, dus slaap tijdens de trage golven stadia III en IV, is fenomenologisch bewustzijn
volledig afwezig en ontstaan op het EEG hoge amplitude trage corticale oscillaties. Dit stereotiep
afvuurpatroon zou de fase synchronisatie van de gamma oscillaties verstoren. Bovendien bereikt
corticale gamma activiteit hierbij zijn laagste niveau. Dus, de afwezigheid van fenomenologisch besef
zou veroorzaakt worden door twee verschillende aspecten van gamma dynamica, die opgemerkt
worden tijdens diepe slaap: het algemene minimum van gamma amplitude en de geforceerde
modulatie van gamma amplitudes door de trage oscillaties.34 Ook bij een EEG studie op verdoofde
patiënten vond men bij het verlies van bewustzijn een verlies van de anterieure-posterieure coherentie
in het gamma gebied. Er ontstond geen verlies van gamma energie, maar het werd intermittent of in
„bursts‟. Dit zou kunnen aangeven dat de toestand van de hersenen op dat moment onstabiel wordt,
alternerend tussen „up‟ en „down‟. Dit is waarschijnlijk gerelateerd aan een periodische verandering in
neuronale exciteerbaarheid, zoals ook gebeurt in NREM slaap.28
Volgens Hameroff kan de NCC volledig teruggebracht worden op deze synchronisatie. In elk neuron
ontvangen dendrieten en soma synaptische inputs en integreren deze tot een drempelwaarde voor het
afvuren via de axonen als output, dit wordt neuroberekening genoemd. Onbewuste cognitieve
hersenfuncties lijken direct gelinkt aan deze neuroberekening, namelijk het integreren en afvuren van
neuronen. Hoe de hersenen bewuste controle en ervaring produceren, is echter niet direct gelinkt is aan
neuroberekening, maar aan de verschillende neuroberekeningsnetwerken die samen actief zijn tijdens
de
bewuste
ervaring.
Deze
verschillende
neuroberekeningsrepresentaties
in
verschillende
hersenregio‟s worden samengebonden in één enkele bewuste perceptie door synchronisatie in de
gamma frequentie. De locatie en verdeling van gamma synchronisatie kan dynamisch veranderen, en
specifieke bewuste inhoud wordt gereflecteerd in welbepaalde lokaties/verdelingen van deze gamma
synchronisatie.35
29
Deze gamma synchronisatie zou ontstaan vanuit lokale veldpotentialen, vooral afgeleid van
dendritische en somatische post-synaptische potentialen, en dus de integratiefases van neuronale
activiteit. Deze integratie van synaptische input is niet passief, maar omvat complexe functies en
signaalverwerking in de neuronen. Neuronale dendrieten en soma‟s ontvangen synaptische input van
axonen van andere neuronen, de basis voor neuroberekening, maar dendrieten zijn ook lateraal
gekoppeld aan dendrieten van naburige neuronen via gap junctions of „elektrische synapsen‟.
Neuronen verbonden met gap juncties hebben een continu intern cytoplasma en gesynchroniseerde
membranen en „gedragen zich als één groot neuron‟. De gamma synchronisatie in verschillende
specifieke hersenregio‟s vereist dan deze dendritische-dendritische gap juncties waardoor groepen
neuronen aan elkaar worden gekoppeld. Via studies van de cerebrale cortex zag men dat een
„dendritisch web‟ van gap junctie gekoppelde interneuronen de cortex doordringen, zich uitbreidend
op een „grenzeloze manier‟. De verschillende gap juncties gaan open en sluiten terug, vormen zich en
verdwijnen, waardoor de topografie, locatie en uitbreiding van het gesynchroniseerde dendritische web
steeds kan veranderen. Het aantal mogelijke dendritische webben over de biljoenen neuronen en glia
zorgt voor een bijna oneindige variëteit van topografische syncitia, wat isomorfisch zou kunnen zijn
met cognitieve of bewuste inhoud. Dus, het zou kunnen dat dendritische/somatische integratie de subneuronale correlaat is van het bewustzijn en dat deze dendritische/somatische integratie de oorsprong
is van gamma synchronisatie.35
Volgens Woolff et al. valt het bewustzijn niet te verklaren uit eigenschappen van neuronen of
netwerken van neuronen. Hij meent dat de kern van het fenomeen bewustzijn in de
kwantummechanica ligt. Deze gaat uit van microscopisch kleine deeltjes, de zogeheten microtubuli,
die zich in elke cel van ons lichaam bevinden. Voor de juistheid van deze theorie is echter tot nu toe
weinig objectief bewijs gevonden.36
4.2.3
Bewustzijn vanuit een theoretisch perspectief
4.2.3.1 Bewustzijn als geïntegreerde informatie
4.2.3.1.1
Theorie
Volgens deze theorie is de meest belangrijke eigenschap van bewustzijn het feit dat het ongelooflijk
informatief is. Op gelijk welk moment men een bepaalde bewuste toestand ervaart, worden er een
enorm aantal alternatieve ervaringen uitgesloten. En een reductie van onzekerheid tussen een aantal
alternatieven is de definitie van informatie. Bijvoorbeeld, men ligt in bed met de ogen open en ervaart
pure duisternis en stilte. Dit is een van de meest eenvoudige ervaringen die men kan hebben, en toch
bevat deze ervaring een grote hoeveelheid aan informatie. De informatie bestaat niet uit hoe
ingewikkeld het is om de ervaring te beschrijven, maar in hoeveel alternatieven uitgesloten worden
wanneer men dit ervaart: men kon evengoed naar een film aan het kijken zijn, of omgeven zijn door
vlammen en rook van de kamer die in brand staat, of gelijk welke andere scene.6
30
Wat essentieel is, is dat deze informatie geïntegreerde informatie is. Wanneer men een bepaalde
bewuste toestand ervaart, is deze toestand een geïntegreerd geheel. Men kan bijvoorbeeld niet visuele
vormen ervaren onafhankelijk van hun kleur, of de helft van een visueel veld ervaren, onafhankelijk
van de andere helft. Deze theorie stelt dus dat het niveau van bewustzijn van een fysisch systeem
gerelateerd is aan de repertoire aan toestanden (informatie), beschikbaar voor het systeem als een
geheel (integratie).6 Tononi vergelijkt dit met een digitale camera, waarvan de sensor chip een
verzameling is van één miljoen fotodioden. De camera kan dus uit 2 tot de 1000000 toestanden
differentiëren, overeenkomstig met 1000000 bits informatie, echter het essentiële verschil tussen de
camera en de mens is dat de chip eigenlijk kan gezien worden als een collectie van fotodiodes met een
repertoire van slechts twee toestanden elk, zonder interacties ertussen, waardoor de diodes makkelijk
kunnen losgekoppeld worden zonder de functie te veranderen, terwijl het loskoppelen van de
verschillende elementen van de hersenen die verantwoordelijk zijn voor bewustzijn dramatische
effecten heeft.1
In verschillende theorieën wordt aangenomen dat het afvuren van specifieke thalamocorticale
elementen (bijvoorbeeld deze voor de kleur rood) specifieke informatie overbrengt (bijvoorbeeld dat
iets rood is) en dat dergelijke informatie bewust wordt waargenomen ofwel op zich, of wanneer het
wijdverspreid wordt. Deze theorie wijst echter geen bewuste eigenschappen toe aan individuele
hersenelementen, aangezien men hier stelt dat een welbepaald thalamocorticaal element geen
informatie heeft over wat het deed afvuren-of dit nu de kleur rood of een bepaalde vorm was. Alles dat
het weet is dat er afgevuurd is. Dus de informatie over de kleur rood kan onmogelijk aanwezig zijn in
de boodschap overgebracht via dit afvuren. Volgens de theorie ligt die informatie in de plaats daarvan
in de reductie van onzekerheid bij het terechtkomen van een gans complex in een van de vele
mogelijke toestanden. Met andere woorden, het complex, en niet zijn elementen, is de plaats van
bewustzijn. Inderdaad, binnen dit complex zijn zowel de actieve als de niet-actieve neuronen van
belang, net zoals het geluid van een orkest opgemaakt wordt zowel uit de instrumenten die men aan
het bespelen is als degene niet. De theorie stelt dus voor dat niet alleen de kwantiteit van bewustzijn
gegeven wordt door de hoeveelheid geïntegreerde informatie, maar dat ook de kwaliteit ervan bepaald
wordt door de specifieke relaties tussen de verschillende elementen van het complex. Het wordt
bepaald door de relaties die de elementen van het complex causaal met elkaar verbinden.1,6 Dus de
reden waarom bepaalde corticale gebieden bijdragen tot de bewuste ervaring van kleur en andere
gebieden tot beweging heeft te maken met verschillen in de relaties die informatie bevatten zowel
binnen elk gebied als tussen elk gebied en de rest van het hoofdcomplex.1
Men geeft daarbij het voorbeeld van het verkrijgen van nieuwe onderscheidende mogelijkheden, zoals
een expert worden in wijnproeven. Studies hebben aangetoond dat men hierbij niet leert onderscheiden
tussen een groot aantal verschillende wijnen enkel door het vastmaken van de gepaste labels aan
verschillende sensaties die men al altijd heeft. In de plaats daarvan lijkt het zo te zijn dat men eigenlijk
31
de reeks sensaties vergroot en verfijnd, getriggerd door het proeven van de wijn. Dit voorbeeld toont
aan dat de kwaliteit en repertoire van onze bewuste ervaring kan veranderen als resultaat van een
leerproces. Dit leerproces is afhankelijk van specifieke veranderingen in het fysieke substraat van het
bewustzijn, namelijk een herschikking en verfijning van verbindingen tussen neuronen in gepaste
delen van het thalamocorticale systeem. Men stelt hier dus dat er een strikte associatie bestaat tussen
de kwaliteit van bewuste ervaringen en hersenorganisatie. Bijvoorbeeld schade aan delen van de
cerebrale cortex verwijdert de mogelijkheid om kleuren waar te nemen, waarbij het onmogelijk is om
zich kleuren te herinneren, zich in te beelden of ervan te dromen. Schade aan de retina daarentegen,
maakt blind, maar verwijdert niet de mogelijkheid om zich kleuren te herinneren, in te beelden,
dromen.1
4.2.3.1.2
Metingen
De theorie introduceert een maat van geïntegreerde informatie, genaamd phi. Phi is de maat voor de
reductie van onzekerheid dat gegenereerd wordt wanneer een systeem zich in een bepaalde bewuste
toestand bevindt. Wanneer een systeem een positieve waarde heeft voor phi, noemt men dit systeem
een complex. En enkel voor een complex kan men stellen dat, wanneer het in een bepaalde toestand
terechtkomt het een bepaalde hoeveelheid geïntegreerde informatie genereert, overeenkomstig phi.
Aangezien geïntegreerde informatie enkel kan gegenereerd worden in een complex en niet buiten zijn
grenzen, is bewustzijn noodzakelijk subjectief, privé, en gerelateerd aan één enkel standpunt. Een
bepaald fysisch systeem, zoals de hersenen, bevat waarschijnlijk meer dan één complex, vele kleine
complexen met lage waarden voor phi, en mogelijks enkele grote complexen. Men veronderstelt dat er
in de hersenen op elk gegeven moment een complex aanwezig is met een veel hogere phi in
vergelijking met de andere, die men het hoofdcomplex noemt. Een complex kan causaal verbonden
zijn met elementen die er geen deel van uitmaken. In dat geval dragen de elementen die deel uitmaken
van het complex bij tot de bewuste ervaring, terwijl elementen die er geen deel van uitmaken dit niet
doen, hoewel ze wel ermee kunnen verbonden zijn en er informatie mee kunnen uitwisselen.
Bovendien kan eenzelfde element deel uitmaken van meer dan één complex, en kunnen verschillende
complexen overlappen.1,6
Het is ook belangrijk te vermelden dat de bewuste ervaring ontstaat in een karakteristieke spatiale en
temporele schaal. In het geval van de hersenen, zouden deze spatiale elementen en tijdsschalen die phi
maximaliseren lokale collecties van neuronen kunnen zijn zoals minikolommen en tijdsperioden
tussen tienden en honderden van milliseconden, respectievelijk.6 Het synchroon afvuren van sterk
verbonden groepen neuronen die inputs en outputs delen zoals corticale minikolommen kunnen
significante effecten veroorzaken in de rest van de hersenen, terwijl het asynchroon afvuren van
verschillende combinaties van individuele neuronen minder effectief zou zijn. De tijdsvereisten voor
de generatie van een bewuste ervaring in de hersenen volgt rechtstreeks uit de tijdsvereisten voor de
32
opbouw van effectieve interacties tussen de elementen van het hoofdcomplex. Phi waarden zouden het
hoogst zijn tussen tienden en honderdsten van een milliseconde.1
Phi meten is niet makkelijk voor reële systemen, maar het kan gedaan worden voor simpele netwerken
die bepaalde structurele gelijkenissen vertonen met verschillende delen van de hersenen. Om een hoge
phi te hebben moet een netwerk zowel functionele specialisatie vertonen als functionele integratie.
Ruw gesteld is dit soort van opbouw karakteristiek voor het thalamocorticaal systeem: verschillende
delen van de cerebrale cortex zijn gespecialiseerd in verschillende functies, terwijl een uitgebreid
netwerk van verbindingen toelaat dat deze verschillende delen met elkaar communiceren. Inderdaad ,
het thalamocorticaal systeem is precies het deel van de hersenen dat onmogelijk ernstig aangetast kan
zijn zonder verlies van bewustzijn. Aan de andere kant, zijn systemen met een lage phi opgebouwd uit
kleine, quasi onafhankelijke modules. Dit zou kunnen verklaren waarom het cerebellum, ondanks zijn
grote aantallen neuronen, niet veel bijdraagt aan het bewustzijn: zijn synaptische organisatie is zodanig
dat individuele delen van de cerebellaire cortex onafhankelijk geactiveerd worden, met weinig
interactie tussen de verschillende delen. Computer simulaties tonen ook aan dat delen langs
verschillende ingaande of uitgaande wegen niet opgenomen zijn binnen het repertoire van het
hoofdcomplex. Dit zou kunnen verklaren waarom neuronale activiteit in afferente wegen, hoewel
cruciaal voor het triggeren van een of andere bewuste ervaring, niet op een directe manier bijdragen tot
het bewustzijn. Hetzelfde geldt voor activiteit in efferente wegen, hoewel deze cruciaal zijn om
verslag uit te brengen van verschillende bewuste ervaringen.6
4.2.3.1.3
Lokalisatie en neurofysiologische processen
Welke specifieke gebieden van de hersenen zijn belangrijk voor het bewustzijn, met andere woorden
welke gebieden vormen een dergelijk complex? Uit vele studies is reeds gebleken dat een goed
functionerend thalamocorticaal systeem essentieel is voor bewustzijn. De meningen zijn echter
verdeeld over het aandeel van bepaalde corticale gebieden. Studies op comateuze of vegetatieve
patiënten tonen aan dat een globaal verlies van bewustzijn over het algemeen veroorzaakt wordt door
letsels die de werking van meerdere delen van het thalamocorticaal systeem verstoren, of toch
tenminste de mogelijkheid om samen te werken als een systeem. Daarentegen, selectieve letsels van
individuele thalamocorticale gebieden verstoren verschillende submodaliteiten van bewuste
ervaringen, zoals de perceptie van kleur of gezichten. Het gaat hier over een verspreid
thalamocorticaal netwerk, er bestaat dus niet één enkele corticaal gebied als NCC. Deze mogelijke
NCC past goed in deze theorie: op het vlak van informatie bevat het vele elementen die functioneel
gespecialiseerd zij. Zo is de cerebrale cortex onderverdeeld in systemen met verschillende functies
zoals zicht, gehoor, motorische controle… waarbij elk systeem nog eens onderverdeeld is in
gespecialiseerde gebieden, bijvoorbeeld het visueel gebied in vorm, kleur, beweging en binnen deze
33
gebieden zijn verschillende groepen neuronen nog eens verder gespecialiseerd, bijvoorbeeld voor een
bepaalde richting van beweging.1,6,15,5
Op het vlak van integratie bevat dit systeem een uitgebreid netwerk van intra- en intergebied reciproke
verbindingen die zorgen voor een snelle en effectieve interactie tussen en binnen gebieden. De
capaciteit van het thalamocorticaal systeem om informatie te integreren is waarschijnlijk nog vergroot
door nonlineaire switch mechanismen zoals synchronisatie.1,6,15,5
Volgens He et al. zou deze integratie gebeuren via zogenaamde trage corticale potentialen. (slow
cortical potentials, SCP) Deze zouden ontstaan ter hoogte van apicale dendrieten in oppervlakkige
lagen van de cortex, het zou de latere component van sensorisch uitgelokte potentialen op het EEGeen negatieve trage potentiaal-vertegenwoordigen. Naast de activatie door specifieke thalamische
input, zijn deze oppervlakkige lagen ook de plaats waar lange afstands intracorticale en corticocorticale verbindingen voornamelijk eindigen. Dus, deze potentialen in oppervlakkige lagen
verspreiden zich over een aanzienlijke ruimte en manifesteren zich als „depolarisatie velden‟. Het is
dus niet verwonderlijk dat de SCP en het gecorreleerde fMRI signaal hersennetwerken op grote schaal
onthullen in hun spontane fluctuaties. Bovendien zijn de oppervlakkige laag apicale dendrieten ook het
hoofddoel van nonspecifieke thalamische input dat afkomstig is van „matrix cellen‟ verspreid
doorheen de thalamus. Het belang van deze intralaminaire nuclei wordt duidelijk bij experimentele
manipulaties van bewustzijn via de stimulatie van deze nuclei in minimaal bewuste patiënten en
verdoofde ratten. In beide omstandigheden zorgde de stimulatie voor een significante verbetering van
responsiviteit, geuit via gedrag. Bovendien zag men in een empirische studie van visuele en
somatosensorische perceptie dat deze secundaire respons, en niet de primaire respons essentieel was
voor bewuste perceptie. Met name wanneer de proefpersoon de stimulus waarnam, zag men een
negatieve trage potentiaal over pariëtale elektrodes tussen stimulus presentatie en respons. Deze trage
potentiaal was zo goed als onbestaande wanneer de stimulus niet het bewustzijn bereikte.10
De overeenkomstige diepe laag neuronen van deze oppervlakkige laag pyramidale neuronen zouden
dan voor bijkomende informatie kunnen zorgen via gespecialiseerde lokale verwerking. Deze lokale
diepe lagen zouden kunnen zorgen voor neuronale substraten van onbewuste processen die kunnen
beïnvloed worden door en zelf ook een invloed hebben op bewuste ervaring. Opvallend is dat het
cerebellum, dat over het algemeen niet als essentieel wordt beschouwd voor bewustzijn, duidelijk
zwak is in zijn lage frequentie activiteit in vergelijking met de neocortex.10
Letsels in de reticulaire formatie van de hersenstam kunnen echter ook bewusteloosheid en coma
veroorzaken.1,10 Toch zou het, ondanks dat het noodzakelijk is voor de normale functie van het
thalamocorticaal systeem (activatie) en daarom ook voor het optreden van de bewuste ervaring, niet
veel bijdragen tot de specifieke dimensies van bewustzijn. Het zou voornamelijk werken als een
externe aan-schakelaar of als een tijdelijke booster van thalamocorticale activiteit. Ook dit past in de
34
theorie van informatie integratie, namelijk dat neuronale elementen kunnen verbindingen hebben met
een hoofdcomplex zonder er deel van uit te maken. Hetzelfde geldt voor vele andere delen van de
hersenen. Bijvoorbeeld wat we zien is afhankelijk van de activiteitspatronen die ontstaan in de retina
en de verbinding met de hersenen. Toch weet men dat retinale activiteit niet rechtstreeks bijdraagt tot
de bewuste ervaring. Deze sensorische afferenten vormen als het ware belangrijke input, maar dragen
niet bij tot een hogere phi, of tot een hogere mate van informatie integratie. Hetzelfde geldt voor
neuronale activiteit in motorische wegen, wat echter wel vaak gebruikt wordt bij het nagaan of iemand
al dan niet bewust is. Ook neuronale processen in cortico-subcortico-corticale lussen, hoewel
belangrijk in de productie en opeenvolging van actie, gedachte en taal, dragen niet rechtstreeks bij tot
de bewuste ervaring. Subcorticale structuren zoals de basale ganglia zijn betrokken in motorische en
oculomotorische controle, maar ook in cognitieve functies en zelfs in sociaal gedrag en emotie. Deze
lussen zijn in staat de toestand van het hoofd thalamocorticaal complex te beïnvloeden zonder er deel
van uit te maken. Ze zouden de neuronale substraten kunnen vormen voor vele onbewuste processen
die kunnen het bewustzijn beïnvloeden of erdoor beïnvloed kunnen worden.1,10 Het is waarschijnlijk
dat nieuwe lussen gevormd kunnen worden door leren en herhaling. Bijvoorbeeld, wanneer men voor
het eerst een nieuwe taak uitvoert, is men zich bewust van elk detail ervan, maakt men fouten, is men
traag en moet men moeite doen. Wanneer de taak goed aangeleerd is wordt men sneller, beter,
moeitelozer, maar is men zich er ook minder bewust van. Volgens de theorie worden bij het eerst
uitvoeren vele delen van het hoofdcomplex geactiveerd, terwijl later bepaalde aspecten van de taak als
het ware gedelegeerd worden naar andere neuronale circuits. Zelfs binnen het thalamocorticaal
systeem draagt een belangrijke proportie van neuronale activiteit niet bij tot bewustzijn. Bijvoorbeeld
wat we zien en horen vraagt ongelooflijk veel verwerking met figuur-achtergrond splitsing, diepte,
herkenning… We zijn ons daar echter niet van bewust: we zien de voorwerpen gewoon. Dit geldt ook
voor onze eigen intenties, waarbij we niet volledig bewust zijn van de ingewikkelde processen die zich
voltrekken voor we onze intenties uitvoeren. Op dit moment is het echter moeilijk te zeggen welke
corticale circuits geen deel uitmaken van het hoofdcomplex. Zijn primair sensorische cortexen
georganiseerd als massale afferente wegen naar een hoofdcomplex „hoger‟ in de hiërarchie? Is veel
van de prefrontale cortex georganiseerd als een massieve efferente pathway? Voor het beantwoorden
van deze vragen en voor het degelijk testen van de voorspellingen van de theorie is een veel beter
begrip noodzakelijk van corticale neuroanatomie dan dat op dit moment beschikbaar is.1
4.2.3.1.4
Omstandigheden met een verminderd bewustzijn
Vanuit het perspectief van geïntegreerde informatie, zou vroege NREM slaap, met een gedaald
bewustzijn, moeten geassocieerd zijn ofwel met een verlies aan effectieve verbindingen tussen
corticale gebieden, en daardoor een verlies van integratie, ofwel met een stereotypische globale
respons, wat een verlies van repertoire en dus van informatie met zich meebrengt. 1,10 Inderdaad,
tijdens NREM slaap zijn corticale neuronen gedepolariseerd en vuren tonisch af zoals in waakzame
35
rust, maar deze gedepolariseerde up toestanden worden onderbroken door korte, gehyperpolariseerde
down toestanden. Dit wordt gereflecteerd op het EEG als hoge amplitude trage oscillaties. Het netwerk
wordt bistabiel, stereotiep, wat weinig vrijheid met zich meebrengt en dus, ondanks het feit dat de
anatomische verbindingen dezelfde blijven, zorgt voor een daling van de phi van het systeem. Tijdens
vroege NREM slaap wordt daarnaast ook de effectieve connectiviteit tussen corticale regio‟s
verbroken, met een afbraak van corticale integratie als gevolg. Men zag in een studie van slaap met
transcraniële magnetische stimulatie dat tijdens slaap een initiële respons ontstaat op een stimulus, dat
zelfs sterker is dan tijdens waakzaamheid, maar deze respons blijft gelokaliseerd, zet zich niet verder
naar verbonden hersenregio‟s, verdwijnt snel en is stereotypisch, onafhankelijk van de
stimulatieplaats. Dit suggereert dat het verdwijnen van bewustzijn tijdens bepaalde stadia van slaap
gerelateerd zou kunnen zijn aan een afbraak van corticale effectieve connectiviteit. Tijdens REM slaap
daarentegen, wanneer dromen lang en levendig worden en bewustzijn terugkeert naar niveaus
vergelijkbaar met deze tijdens waakzaamheid, ontstaan snel veranderende patronen van activiteit in
plaats van stereotypische responsen.6,2,37,1
Computer simulaties tonen aan dat de capaciteit om informatie te integreren ook gereduceerd wordt
wanneer neuronale activiteit extreem hoog en bijna volledig synchroon is, te wijten aan een
dramatische daling in de beschikbare graden van vrijheid. Dit zou kunnen de reden zijn waarom
bewustzijn verminderd of verdwijnt bij absence aanvallen of andere toestanden gekarakteriseerd door
hypersynchrone neuronale activiteit.2,6
Ook anesthetica zou de corticale integratie kunnen verstoren door in te werken op structuren die lange
afstand cortico-corticale interacties faciliteren, zoals de posterieure pariëtale regio, bepaalde
thalamische nuclei, of door het vertragen van neuronale responsen. Een kritische verandering zou
kunnen het verlies zijn van feedback interacties in de cortex. Het corticothalamisch netwerk zou
daarbij specifiek kwetsbaar zijn voor anesthetica. De essentie is dat corticale communicatie wordt
onderbroken met een verlies van integratie als gevolg. Daarbij ontstaat er een daling in EEG
coherentie in het gamma gebied. Het effect is gradueel en veel sterker voor wijdverspreide dan voor
lokale coherentie. Ook zorgen bepaalde anesthetica voor het ontstaan van bistabiele, stereotypische
responsen, en zo een verlies van informatie capaciteit. Ze zorgen voor een hyperpolarisatie van
neuronen en dus een verandering in neuronale activiteit: het onderhouden afvuren typisch voor het
wakkere brein verandert in een bistabiel uitbarst-pause patroon, dat ook gezien wordt in NREM slaap.
Wanneer het repertoire van discrimineerbare afvuurpatronen beschikbaar voor het corticothalamisch
netwerk krimpt, wordt neuronale activiteit minder informatief, ook al wordt het globaal geïntegreerd.
Verlies van bewustzijn bij anesthesie is dus geassocieerd met een afbraak van corticale verbindingen
en dus van integratie, of met een verlies van repertoire van corticale activiteitspatronen en dus van
informatie.2
36
Verlies van bewustzijn zou dus niet noodzakelijk vereisen dat neuronen in welbepaalde gebieden
geïnactiveerd worden, het zou reeds voldoende zijn dat dynamische aspecten van neuronale activiteit
veranderen, vooral als deze de mogelijkheid van de hersenen om informatie te integreren verstoren.
Deze bevindingen samen zouden moeten helpen in de ontwikkeling van stoffen met meer specifieke
acties, in het beter monitoren van hun effecten op bewustzijn, en in het gebruik van anesthetica als een
middel voor het karakteriseren van de neuronale substraten van bewustzijn.2
In dit kader kan meditatie beschreven worden als een „functionele kern‟, als één bepaalde toestand van
het complex: een kalme maar alerte toestand van de geest, slechts minimaal verstoord door externe
sensorische invloeden.15
4.2.3.1.5
Implicaties
Deze theorie stelt dat bewustzijn enkel en alleen afhankelijk is van de mogelijkheid om informatie te
integreren, onafhankelijk of het een sterk zelfbewustzijn, taal, emotie heeft, of ondergedompeld is in
de omgeving. Dit is consistent met het behoud van bewustzijn tijdens REM slaap, wanneer zowel
input en output signalen van en naar het lichaam duidelijk verminderd zijn. Toch zijn deze factoren
belangrijk omdat ze de ontwikkeling van neuronale circuits gunstig beïnvloeden waardoor het
hoofdcomplex een hoge phi ontwikkelt. Bijvoorbeeld, wanneer een systeem zaken uit de omgeving
opneemt en leert, neemt de hoeveelheid geïntegreerde informatie toe. Volgens de theorie zou het
mogelijk moeten zijn om de aanwezigheid en omvang van bewustzijn te bepalen, ook in
omstandigheden waarbij we geen verbaal verslag kunnen verkrijgen, zoals kinderen of dieren, of in
bepaalde neurologische toestanden zoals minimaal bewustzijn, psychomotorische aanvallen, en
slaapwandelen. In de praktijk zal het accuraat meten van phi in dergelijke systemen niet makkelijk
zijn, maar benaderingen en geïnformeerde schattingen zijn zeker uitvoerbaar. Omgekeerd zou het
moeten mogelijk zijn een bewust artefact te bouwen via het opbouwen van een complex met hoge phi.
Ook volgt hieruit dat bewustzijn niet een alles-of-niets fenomeen is, maar dat het gegradeerd is,
waarbij het toeneemt in proportie met de mogelijke toestanden van een bepaald systeem. 1,6 Aan de
andere kant, suggereren Alkire et al. dat het abrupte verlies van bewustzijn bij een kritische
concentratie van anesthetica betekent dat het geïntegreerde repertoire van neuronale toestanden nonlineair zou kunnen instorten.2
4.2.3.2 De globale werkruimte theorie (global workspace theory)
Volgens deze theorie zijn de hersenen opgebouwd uit een massieve parallelle reeks van
gespecialiseerde verwerkers. Een centrale informatie uitwisseling zou dan plaatsvinden in een globale
werkruimte, waardoor sommige verwerkers-zoals de sensorische systemen in de hersenen-in staat zijn
informatie te verdelen over het systeem als een geheel. Volgens Baars et al. zijn de frontopariëtale
associatiegebieden een ideale kandidaat voor het uitvoeren van deze functie.22,38
37
Tijdens de bewuste verwerking van een stimulus worden verschillende stukken informatie over deze
stimulus automatisch verwerkt in verschillende gespecialiseerde en gelokaliseerde verwerkers in de
hersenen, en worden daarna, via het bewustzijn, beschikbaar voor expliciet verslag en flexibele
manipulatie. Bijvoorbeeld, eenmaal bewust, kunnen verschillende eigenschappen van een stimulus,
kleur, vorm, naam, beweging… verbaal uitgedrukt worden, maar ook onthouden worden, geëvalueerd
worden, vergeleken worden met andere oude of recente stimuli… Om te verklaren hoe de modulariteit
inherent aan de verdeelde architectuur van de hersenen kan „gebroken‟ worden om de globalisatie van
informatie toe te laten, en hoe informatie kan behouden worden over een tijdsperiode voldoende om
bewust verslag toe te laten en mogelijks complexe manipulatie ervan, legt deze theorie de nadruk op
de rol van lange afstand terugkerende verbindingen tussen hersenregio‟s. Bewuste verwerking vereist
een reeks neuronen, de zogenaamde „werkruimte‟ neuronen, die synergistisch kunnen werken via
lange afstands terugkerende verbindingen. Ze hebben toegang tot informatie, behouden deze online en
maken het beschikbaar tot zo goed als elk ander proces, en hoewel voornamelijk talrijk in frontopariëtale gebieden, zijn ze verdeeld over de ganse hersenen, op deze manier een globale werkruimte
vormend. Hieruit kan een scenario opgemaakt worden van de neuronale gebeurtenissen die leiden tot
bewustzijn: een externe stimulus wordt eerst automatisch verwerkt in een reeks sensorische
hersengebieden, wat men de vooruitgaande golf van activiteit noemt. Daarna ontvangen deze feedback
van gebieden die zich hoger in de hiërarchie bevinden via terugkerende verbindingen. Dit mechanisme
binnen één modaliteit zorgt voor een zeer snelle globalisatie van informatie over deze stimulus.
Werkruimte neuronen in twee verschillende verwerkers kunnen elkaars activiteit dan verder versterken
via reciproke verbindingen. Dit proces van amplificatie begint eerst lokaal, maar via de lange
afstandsverbindingen zetten ze zich snel voort naar vele verschillende niveaus in de corticale
hiërarchie, wat men de „amplificatiecascade‟ noemt. Dit mechanisme zorgt voor het verdelen van
informatie tussen verschillende hersengebieden, voor amplificatie en behoud van deze informatie.39
Deze amplificatiecascade zou volgens de auteurs verantwoordelijk zijn voor het late ERP signaal, dat
geobserveerd wordt bij de bewuste verwerking van stimuli. Dit proces zorgt voor de verbetering en
stabilisatie van sensorische informatie, wat cruciaal is voor verslag, bewerkingen of opslag ervan.
Onbewuste stimuli verdwijnen omdat ze er niet in slagen deze amplificatie op gang te brengen. De
voorgestelde bron van deze perceptuele amplificatie is activatie in het frontopariëtaal netwerk. In
functionele connectiviteitsstudies zag men reeds dat de pariëtale, prefrontale en cinguli gebieden,
specifiek geactiveerd bij bewuste perceptie, permanent met elkaar gecorreleerd waren. Uit EEG
studies bleek dit samen te gaan met grote schaal synchronisatie in welbepaalde frequenties,
voornamelijk de gamma band (rond 40Hz) tijdens bewuste perceptie, opkomend rond 250ms na de
stimulus presentatie. Deze geobserveerde synchronisatie in de gamma band geeft waarschijnlijk
dynamische synaptische verbindingen weer tussen verspreide hersengebieden. Waarschijnlijk ontstaat
deze door recurrente verbindingen vanuit hogere gebieden. Het is echter nog niet vastgesteld of deze
38
feedback een fronto-pariëtale oorsprong heeft. In de frontopariëtale regio‟s kan er inderdaad een grote
concentratie van werkruimte neuronen gevonden worden, neuronen met lange afstandsverbindingen
doorheen de cortex, en in het bijzonder doorheen het corpus callosum. Gezien zijn zeer rijke lange
afstands connectiviteit vormt het een centraal netwerk in de globale werkruimte dat waarschijnlijk
noodzakelijk betrokken is in gelijk welke globale amplificatie episode. Deze wordt opgebouwd
gedurende een minimale periode van 100ms, voldoende voor stabiele communicatie tussen
verschillende verspreide gebieden.39
Volgens deze visie is bewuste perceptie niet enkel afhankelijk van de sterkte van de eerste
vooruitgaande golf van activiteit, maar ook afhankelijk van de beschikbaarheid van dit fronto-pariëtaal
netwerk. Hieruit volgt dat er een scherp verschil bestaat tussen bewuste en onbewuste verwerking, of
dus dat bewustzijn een alles-of-niets fenomeen is. Een stimulus wordt namelijk slechts bewust
waargenomen wanneer ze terechtkomt in de globale werkruimte via amplificatie. Volgens de huidige
configuratie van de globale werkruimte, kan slechts een enkele representatie bewust worden verwerkt
per keer. De theorie sluit echter niet de mogelijkheid uit van een graduele toename in de rijkdom van
informatie beschikbaar voor bewuste verwerking. Bewuste en onbewuste verwerking, hoewel dat ze in
het begin vergelijkbare wegen volgen, blijken dus op een bepaald moment te divergeren, plots en op
een alles-of-niets manier, leidend tot verschillende dynamische toestanden.39
De globale werkruimte kan uitgezonden worden doorheen het zenuwstelsel, om de werking van
verschillende onbewuste gespecialiseerde subsystemen te rekruteren. Het gebruik ervan ruilt
automaticiteit, snelheid en hoge capaciteit in parallelle onbewuste processen in voor flexibiliteit van de
respons met een relatief trage, vrijwillige, beperkte capaciteit. Deze theorie is in harmonie met de visie
dat de ontwikkeling van het menselijk bewustzijn gelinkt is aan het ontstaan van flexibele patronen
van aangeleerd gedrag, in tegenstelling tot meer rigide instinctieve patronen van respons.5 Bewustzijn
in dit opzicht laat ons toe om te gaan met nieuwe of uitdagende situaties waarmee niet efficiënt kan
omgegaan worden, of zelfs helemaal niet, door lokale routine onbewuste processen. Bewustzijn doet
op deze manier dienst als een wachtersfunctie om mogelijke gevaren of kansen op te sporen, zodanig
dat er een nauwe relatie bestaat tussen bewuste inhoud en significante sensorische input. Bewuste
inhouden worden echter altijd geleid en beperkt door onbewuste contexten. Bijvoorbeeld om de
oriëntatie van bewuste visuele voorwerpen te interpreteren is onbewuste spatiale kennis nodig.40
Onbewuste en bewuste modi zijn dus niet altijd verschillend en van elkaar gescheiden. Soms wordt de
onbewuste autopiloot modus overgenomen of vergezeld van bewuste ervaring. Zo voert men
bijvoorbeeld vaak complex gewoontegedrag uit zoals wandelen samen met dagdromen, dus op
autopiloot terwijl het bewustzijn ergens anders is. Maar wanneer dan iets nieuws optreedt, merken we
dit bewust op en hernemen bewuste controle. De eigenlijke onderverdeling is dus tussen cognitieve
neuroberekening die op elk gegeven moment al dan niet vergezeld is van een bijkomende eigenschap
die zorgt voor bewuste ervaring en keuze.35
39
Volgens Lagercrantz et al. moet hierbij een onderscheid gemaakt worden tussen het niveau van
bewustzijn en de inhoud van bewuste ervaring. Het niveau staat onder verticale controle van de
hersenstam en diencefalon en wordt gemediëerd door corticothalamische verbindingen. De inhoud
wordt dan verwerkt via een recurrent horizontaal netwerk van corticale pyramidale neuronen met
lange afstandsverbindingen met thalamocorticale regio‟s, voornamelijk prefrontale en hogere
associatiegebieden, parietotemporale en cortex van het cinguli, de zogenaamde globale werkruimte
circuits. De mobilisatie van dergelijke circuits verzorgt dan de toegang tot bewustzijn.41
4.2.3.3 Fenomenologisch en toegang NCC
Volgens Block et al. kan het globaal bewustzijn onderverdeeld worden in enerzijds fenomenologisch
bewustzijn, dat zich voordoet wanneer we bijvoorbeeld een complex visueel beeld waarnemen,
waarbij de rijkdom van de inhoud verder lijkt te gaan dan waarvan we verslag kunnen uitbrengen, en
een toegangsbewustzijn, zijnde de informatie dat beschikbaar is voor de gebruikssystemen van de
hersenen (geheugen, perceptuele categorisatie, redenering, planning, beslissingen maken, controle van
actie enz.). Toegang bewuste inhoud is dan de informatie die „uitgezonden‟ wordt in de „globale
werkruimte‟.14,42 Recent werd gesuggereerd dat dit fenomenologisch bewustzijn betrokken is in het
open „achtergrond‟ bewustzijn bij open monitoring meditatie.14
De auteur stelt dat voor elk van deze twee soorten bewustzijn neuronale correlaten kunnen gevonden
worden: een fenomenologisch NCC en een toegangsNCC. Het fenomenologisch NCC is de minimale
neuronale basis voldoende voor de inhoud van een ervaring. Bijvoorbeeld de perceptie van beweging
zou recurrente activiteit in en rond MT/V5 (deel van de hersenen voor beweging) vereisen.
Overeenkomstige conclusies vond men bij andere types van inhoud van ervaring, bijvoorbeeld
recurrente activatie van de fusiforme gezichtsarea in de temporele lob zou de ervaring van een gezicht
bepalen. Er bestaan dus verschillende fenomenologische NCC‟s voor verschillende fenomenologische
inhouden. Toegang NCC komt overeen met de NCC volgens de globale werkruimte theorie. Hierbij
kan bewustzijn gevonden worden in „werkruimte neuronen‟, die lange afstands excitatorische axonen
hebben die toelaten bijvoorbeeld dat visuele gebieden in de achterzijde van de hersenen kunnen
communiceren met frontale en pariëtale gebieden. Daarom stellen de auteurs dat de visuele toegangs
NCC de activatie is van deze frontale en pariëtale gebieden door occipitale en inferieure temporele
gebieden. Zoals eerder vermeld bestaat er een winner-take-it-all competitie tussen representaties die
gepresenteerd kunnen worden in de globale werkruimte. Dit is cruciaal voor de aard van de toegangs
NCC en het verschil tussen dit en fenomenologisch NCC. Fenomenologische NCC activaties gaan in
competitie om de toegangs NCC te domineren. Hierbij is het belangrijk dat het niet zo is dat de
fenomenologische NCC representatie dat het hoogst is in intiële activatie zal domineren, omdat
dominantie het resultaat kan zijn van „biasing‟ factoren zoals verwachtingen of voorkeuren. De
winnende fenomenologische NCC zal over het algemeen worden vermenigvuldigd door recurrente
40
lussen. Maar ook de NCC‟s die verliezen kunnen recurrente lussen ondergaan die voldoende zijn voor
fenomenologische inhoud. Recurrente lussen zijn dus voldoende voor een inhoud ondanks niet
toegankelijk wanneer ze de competitie verliezen.42
Andere auteurs stellen echter dat deze twee soorten NCC niet van elkaar kunnen gescheiden worden,
en dat zonder toegang, er geen ware fenomenologische inhoud kan bewust weergegeven worden, maar
alleen proto-inhoud dat bewust wordt wanneer het globaal wordt „uitgezonden‟. Er bestaat ook veel
twijfel over het empirisch onderzoeken van fenomenologisch bewustzijn. Deze zijn vaak gebaseerd op
het idee dat uiteindelijk, introspectieve verslagen, dus verslagen over de eigen bewuste ervaring de
fundamentele basis zijn van theorieën van bewustzijn. En aangezien verslag onvermijdelijk het
toegangs NCC weergeeft, niet alleen het fenomenologisch NCC, kan dit niet apart worden bestudeerd.
Volgens de auteur zou dit echter wel kunnen. Volgens hem is het niet omdat er niet direct verslag kan
van uitgebracht worden dat het niet kan bestudeerd worden. Ook is het volgens hem niet waar dat een
theorie van bewustzijn volledig bepaald moet worden door het introspectieve verslag van
proefpersonen. Daarbij stelt hij ook dat elke neurowetenschappelijke benadering dat alles baseert op
verslagen van de eigen ervaringen van de proefpersoon uiteindelijk zal eindigen bij de neuronale basis
van enkel „hogere orde gedachte‟. Hierbij worden bovendien systemen uitgesloten die wel degelijk
ervaringen hebben maar geen hogere orde gedachten, en dus geen introspectief verslag kunnen
uitbrengen van deze ervaringen, bijvoorbeeld kinderen of primaten.42
4.2.3.4 Intrinsieke hersenactiviteit.
Consistente hersenactiviteit vermindert in een reeks van gebieden tijdens cognitieve verwerking in
vergelijking met een passieve rusttoestand. Deze gebieden, waaronder de posterieure cortex van het
cinguli/precuneus, de mediale prefrontale cortex, en bilaterale temporopariëtale juncties, noemt men
daarom het „default‟ netwerk van de hersenen, of ook het systeeminherent netwerk van de hersenen.
Men zag eigenlijk dat deze hersengebieden bij rust een hoog niveau van „default‟ functionele activiteit
vertonen. Dit wijst op een belang van intrinsieke functionele activiteit in het beoordelen van relaties
tussen hersenen en gedrag. Echter, de functionele betekenis van de geobserveerde patronen van
intrinsieke hersenactiviteit blijven nog steeds niet goed begrepen.22 Het in kaart brengen van een
dergelijk netwerk zou inzicht verschaffen in een belangrijk maar slecht begrepen onderdeel van het
bewustzijn variabel naar verwezen als een „bewuste rusttoestand‟, „stimulus onafhankelijke gedachte‟
of „default modus van hersenfunctie‟.5
In recente fMRI studies bestudeerde men deze spontane hersenactiviteit zowel bij gezonde
proefpersonen als bij patiënten met een bewustzijnsstoornis. Zelfs in de afwezigheid van sensorische
input, kunnen gestructureerde patronen van voortdurende spontane activiteit geobserveerd worden in
corticale en thalame neuronen. Men vond dat regio‟s die gelijkaardig gemoduleerd worden bij taken of
stimuli ook gecorreleerde spontane fluctuaties blijken te vertonen zelfs in de afwezigheid van deze
41
taken of stimuli. Ook blijken deze fMRI patronen in rust spatiaal heel consistent te zijn tussen
verschillende proefpersonen. Men stelt hierbij dat dit „default‟ netwerk een deel is van het
frontopariëtale associatienetwerk, namelijk het deel betrokken bij verschillende aspecten van zelfgerelateerde processen. Het andere deel is dan betrokken bij extern besef. Naast activiteit in het
frontopariëtaal netwerk, blijkt besef ook gerelateerd te zijn met functionele connectiviteit binnen dit
netwerk, en met de thalami. fMRI studies toonden antigecorreleerde patronen van spontane fluctuaties
aan tussen enerzijds het „default‟ netwerk en het extern netwerk, wat reflectie zou kunnen zijn van
periodische overgangen van een introspectieve of zelf-georiënteerde processen naar extrovert
georiënteerde aandacht, en anderzijds tussen het „default‟ netwerk en de sensorische systemen:
auditief, visueel en somatosensorisch.22 Dit zou kunnen gebeuren door rechtstreekse inhibitie van
elkaar, of via een andere regio, meest waarschijnlijk de thalamus waarvan reeds aangetoond is dat ze
een intermediaire rol speelt in cortico-corticale interacties.5 Dit zou kunnen het fenomeen verklaren
waarom externe en intern gerichte processen altijd elkaar kunnen verstoren of zelfs onderbreken.22
Zoals eerder vermeld wordt vaak aangenomen dat intrinsieke activiteit ongeremde, spontane cognitie,
de geest de vrije loop laten, of stimulus onafhankelijke gedachte vertegenwoordigt. Een alternatief is
echter dat het blijft bestaan in de afwezigheid van normale perceptie en gedrag, overeenstemmend met
een meer fundamentele en intrinsieke eigenschap van functionele hersenorganisatie. Indien het eerste
waarheid is, zouden de coherente fluctuaties in rust moeten afwezig zijn in coma, slaap, diepe
anesthesie, toestanden waarbij bewuste mentale activiteit afwezig zou zijn. Echter, lage frequentie
coherente spontane activiteit kan behouden blijven in een toestanden van bewusteloosheid,
bijvoorbeeld in lichte non-REM slaap. Deze resultaten tonen aan dat coherente systeemverspreide
fluctuaties waarschijnlijk een aspect van functionele organisatie in de hersenen weergeven. Met
andere woorden coherente spontane fluctuaties zijn niet exclusief een reflectie van bewuste mentale
activiteit, maar zouden een meer fundamentele of intrinsieke eigenschap van functionele
hersenorganisatie weergeven. Ze zouden moeten beschouwd worden als zeker noodzakelijk, maar niet
voldoende voor bewustzijn. Toch moet de fysiologische oorsprong en functionele betekenis hiervan
verder onderzocht worden. Want zelfs als is tenminste een deel van deze default interacties te wijten
aan onbewuste processen, vormen ze waarschijnlijk toch responsen van de hersenen op de omgeving
en moduleren ze voortdurend perceptie en gedrag. Ook zouden systeemverspreide correlaties in de
afwezigheid van bewustzijn kunnen het behoud van anatomische verbindingen kunnen weergeven,
gedissocieerd van hogere cognitieve functies. In dat geval zouden deze data belangrijk kunnen zijn als
prognostische informatie bij acute hersenbeschadigde patiënten.22
Het belangrijkste onderdeel van dit netwerk zou volgens Greicius et al. de posterieure cortex van het
cinguli (PCC) zijn, dat in een aantal beeldvormingsstudies reeds gelinkt werd aan het ophalen van
episodische herinneringen. Dit wordt verder ondersteund door het feit dat het zich onder de
hersengebieden bevindt die het eerst worden aangetast in Alzheimer. Bovendien werden verbindingen
42
aangetoond tussen de PCC en de mediale temporele lob, met sleutelregio‟s voor het geheugen. Indien
de PCC inderdaad een kritische rol speelt in dit netwerk, zou gans dit netwerk betrokken zijn in het
ophalen van episodische herinneringen. In dat geval zou de „bewuste rusttoestand‟ het ophalen en
manipuleren van gebeurtenissen in het verleden, zowel persoonlijk als algemeen, omvatten met de
bedoeling problemen op te lossen en plannen te maken.43
4.2.3.5 Single-neuron theorie
De belangrijkste eigenschappen van deze theorie zijn de volgende: (1)Elk neuron is onafhankelijk
bewust, waarbij de elektrische activiteit in de dendrieten dienst doet als NCC. Een enkel brein herbergt
dus op elk gegeven moment vele aparte bewuste geesten, elk geassocieerd met de activiteit van één
neuron. (2)Voor de meeste neuronen is deze bewuste activiteit eenvoudig en niet in staat het
macroscopisch gedrag van het organisme direct te beïnvloeden. (3)Voor laag vijf pyramidale neuronen
in de laterale prefrontale cortex is de elektrische activiteit in de dendrieten op zichzelf complex en
divers genoeg om verantwoordelijk te zijn voor de complexiteit en diversiteit van bewuste ervaringen,
waarbij elk van die neuronen een gelijkaardige bewuste ervaring heeft. Het is die laatste bewuste
ervaring die in andere theorieën wordt toegewezen aan de gezamenlijke werking van een groot aantal
neuronen verdeeld over de hersenen. Als resultaat van de diversiteit van de afferente input dat uniek is
voor de laterale prefrontale cortex, kunnen deze pyramidale neuronen beschouwd worden als
ontvangers van input behorend tot alle sensaties, gedachten, gevoelens en herinneringen die bewuste
ervaringen opbouwen. De PFC in zijn geheel doet dienst als een convergentie zone, die input ontvangt
vanuit de meeste andere hersenregio‟s. Om elk op zich een bewustzijn op te bouwen zouden de
dendritische bomen van deze bewuste neuronen elk alle soort input die de bewuste ervaring opbouwt
moeten ontvangen. Volgens de auteur is dit mogelijk, en baseert zich daarvoor op de observatie dat
focale letsels in de laterale PFC niet leiden tot modaliteitsspecifieke defecten maar enkel de functie
van de regio verminderen op een algemene manier. Bovendien ontvangen individuele corticale
neuronen inputs van duizenden andere neuronen. Of echt elk neuron input ontvangt van alle
sensorische, emotionele en mnemonische stimuli moet nog empirisch bepaald worden. (4)Een
subgroep van synchroon afvurende laterale PFC pyramidale neuronen met gelijkaardige bewuste
ervaringen kunnen dit uitdrukken door middel van een ruimtelijk patroon dat ze vertonen op het
neuronaal populatieniveau. De axonale output hiervan draagt de bewuste inhoud over naar andere
hersenregio‟s, waaronder deze die het gedrag controleren. Er bestaat inderdaad bewijs dat de linker
laterale PFC in staat is toegang te verkrijgen tot de motorische programma‟s die bewust gedrag
mediëren: men vond efferenten naar frontale oogvelden, premotorische frontale cortex, basale ganglia,
cerebellum en colliculus superior. Dit betekent dus dat terwijl bewuste ervaring gecorreleerd is met
activiteit in individuele neuronen, bewust gedrag ontstaat vanuit populatie activiteit op het netwerk
niveau. Om deze theorie aan te tonen via ablatie ligt de zaak wat moeilijker. Een quasi complete
inactivatie van de laterale PFC bilateraal zou noodzakelijk zijn om algemeen bewustzijn uit te
43
schakelen. Er zijn klinische omstandigheden beschreven in de literatuur waarbij uitgebreide
prefrontale letsels faalden in het elimineren van hogere bewuste ervaring. De auteur stelt echter dat in
geen van deze gevallen er schade was aan de volledige laterale PFC, wat de betekenis van deze
casussen onzeker maakt. Aan de andere kant, in klinische situaties waarbij de laterale PFC volledig
bilateraal is vernietigd is het klinisch beeld die van een vegetatieve toestand waarbij het slachtoffer
geen enkel hoger niveau van bewustzijn bezit. Hoewel deze casussen een bewijs vormen voor deze
theorie, vernielt de uitgebreide aard van de schade in deze gevallen de specificiteit van de correlatie.
Deze hypothese zorgt voor een nieuwe benadering voor het oplossen van het „bindingsprobleem‟.
Perceptuele eenheid zou daarbij bekomen worden via de ruimtelijke convergentie van signalen in
aparte neuronen.44
4.3 Zelfbewustzijn en de neuronale correlaten van het zelfbewustzijn
4.3.1
Wat is zelfbewustzijn?
Zelfbesef is een belangrijk onderdeel van bewustzijn.4 In vergelijking met het besef van de omgeving
echter, is het besef van zichzelf een nog complexer en niet duidelijk gedefinieerd concept. Het vereist
een representatie van zichzelf versus de ander. Het vereist het onderscheiden van stimuli gerelateerd
aan zichzelf van deze die niet relevant zijn voor zichzelf.15
Men kan het bewustzijn onderverdelen tussen het richten van de aandacht naar buiten, naar de
omgeving en het richten van de aandacht naar binnen, naar zichzelf (zelfbewustzijn). Om aandacht te
richten naar buiten of naar binnen, moet een organisme natuurlijk eerst wakker zijn, zo niet wordt de
term bewusteloosheid gebruikt om een toestand weer te geven waarbij geen informatie wordt
verwerkt. Wanneer men wakker is en bewust, zal men informatie in de omgeving verwerken en
reageren op stimuli. In een dergelijke toestand zal een organisme percepties, sensaties, gedachten enz.
ervaren zonder zich ervan bewust te zijn dat deze mentale gebeurtenissen plaatsgrijpen. Dit wordt vaak
fenomenologisch bewustzijn genoemd, namelijk het ervaren van mentale gebeurtenissen in reactie op
externe stimulatie, zoals zien, ruiken, smaken, pijn hebben. Het gaat hier niet over zelfbewustzijn,
maar toch is een minimaal besef van zichzelf hiervoor noodzakelijk. Men noemt dit ook eerstepersoon perspectief of subjectief perspectief, een diffuus, impliciet besef van het eigen lichaam
noodzakelijk voor spatiale zelfnavigatie. Zelfbewustzijn of zelfbesef is dan de mogelijkheid om te
focussen op het interne milieu: het organisme beseft dat het wakker is en dat het specifieke mentale
gebeurtenissen ervaart, gedrag vertoont en unieke eigenschappen bevat. Hierdoor kunnen we zeggen:
„Ik ben moe‟ of „Ik ben een knappe, hardwerkende persoon‟. In een toestand van zelfbewustzijn kan
een organisme zich richten op privé of op publieke zelfaspecten. Private aspecten zijn van buitenaf
niet observeerbaar zoals emoties, psychologische sensaties, percepties, waarden, doelen enz. Publieke
aspecten zijn zichtbare kenmerken zoals gedrag en uiterlijke verschijning. Kennis hebben over de
private aspecten vertegenwoordigt een hogere vorm van zelfbewustzijn in vergelijking met het kennen
44
van de publieke eigenschappen, want dat soort informatie is meer conceptueel, meer abstract. Een
laatste niveau van bewustzijn is „meta-zelfbewustzijn‟-besef hebben van het feit dat men zelfbesef
bezit. Hierdoor kunnen we niet alleen zeggen „Ik ben kwaad.‟, maar ook „Ik ben me ervan bewust dat
ik kwaad ben.‟ Zowel zelfbewustzijn als meta-zelfbewustzijn houden in dat we weten dat we dezelfde
persoon blijven in de tijd, dat we de auteur zijn van onze eigen gedachten en acties, en dat we
verschillend zijn van de omgeving. Ze resulteren in een inzicht dat men bestaat als een onafhankelijke
en unieke entiteit in de wereld, en dat dood een onvermijdelijke correlaat is van het leven.
(doodsbesef) Deze opsomming biedt een kader waarin bewustzijn verder kan besproken worden, en
volgens de auteur kunnen veel verschillende modellen-die de verschillende niveaus van bewustzijn
weergeven, en vaak verschillende namen gebruiken voor wat in essentie hetzelfde is-hierin ingepast
worden.45 Bij de mens ontwikkelt zelfherkenning zich volledig rond 18 maanden. Deze zelfherkenning
ontstaat als een ontwikkelingsresultaat, geassocieerd met een niveau van besef en zelfreflectie dat
uniek is voor mensen en enkele van de hogere niet-humane primaten.46
4.3.2
De neuronale correlaten van het zelfbewustzijn
Ook het begrijpen van de neurocognitieve basis van zelf-gerelateerde representaties en verwerking is
cruciaal in de studie van de neuronale correlaten van het bewustzijn. Bij neurobeeldvormende studies
zag men een sleutelrol voor de corticale middellijn structuren (CMS) over alle functionele domeinen
in het vertegenwoordigen, evalueren, monitoren en integreren van stimuli sterk gerelateerd aan de
eigen persoon. Bij het bestuderen van de fMRI respons op het presenteren van de eigen naam en
andere namen, zag men een lineair verband tussen de P300 amplitude en rechter mediale prefrontale
cortex, rechter superieure temporele sulcus en precuneus activatie. Andere studies toonden ook
activatie in mediale prefrontale en rechter paracortex van het cinguli en linker mediale prefrontale
cortex. In het bijzonder zag men activatie van de mediale prefrontale cortex terwijl proefpersonen
nadachten over hun eigen persoonlijkheid en die van anderen of deze evalueerden, maar ook in taken
waarbij zelfkennis nodig was of waarbij verwachtingen in de toekomst gemaakt werden.7,46
Toch is het nog steeds controversieel of de CMS zorgt voor zelf-referentiële verwerking op zich, of
enkel voor bepaalde taakspecifieke processen als onderdeel van deze verwerking. Bovendien worden
een groot aantal andere regio‟s, waaronder de ventrolaterale en dorsolaterale prefrontale cortex, maar
ook subcorticale regio‟s, ook geactiveerd tijdens zelf-gerelateerde taken. Daarbij zagen onderzoekers
dat er ook regio‟s geactiveerd werden die niet op de corticale middellijn liggen, zoals de insulae en de
rechter inferieure pariëtale lob.46
Picard et al. voerden neuroradiologische en/of elektroencefalografische studies uit van 5 patiënten met
extatische epileptische aanvallen. Een periode van extase kan beschouwd worden als een toestand van
toegenomen zelfbewustzijn waarbij een individu een uitzonderlijke mentale helderheid en een intens
positieve emotionele ervaring doormaakt. Subjectieve perceptie van tijd, ruimte en de zelf kan sterk
45
veranderen. Uit de studies bleken bij elk van hen abnormaliteiten voor te komen in de anterieure
temporopolaire regio. Opmerkelijk is dat de anterieure insulaire cortex(AIC), welke verborgen ligt
achter deze temporopolaire regio, recent naar voor gebracht is als de plaats voor representatie van de
„gevoelige zelf‟, wat alle emoties inhoudt en de capaciteit van mensen om besef te hebben van
zichzelf, anderen en de omgeving. Men suggereert hier dus de mogelijkheid dat deze extatische
aanvallen zouden kunnen ontstaan in een dysfunctie van de AIC. De AIC is bovendien cruciaal voor
menselijke tijdsperceptie. Het zou een filmachtige representatie bevatten van de gevoelszelf over de
tijd heen. Tijdens een periode van enorme emotie, zouden de neuronale „plaatsen voor gevoelens‟ snel
gevuld worden en op deze manier zorgen voor subjectieve tijdsvertraging en de perceptie dat de tijd
stil staat. Echter, elektrische stimulaties van de insulaire cortex heeft in verschillende studies geen
aangename gevoelens uitgelokt, wat suggereert dat het ontstaan van extatische symptomen de activatie
zou vereisen van een verspreid netwerk. Hoewel volgens de auteur bijna nooit stimulaties van het
meest antero-inferieure deel van de insula zijn uitgevoerd.47
Een belangrijk onderdeel van zelfbewustzijn is het gevoel van bezit van het eigen lichaam. Dit
verwijst naar de bijzondere perceptuele status van het eigen lichaam, waardoor lichaamssensaties
uniek zijn voor zichzelf. Het is het gevoel dat „mijn lichaam van mij is‟. In een PET studie onderzocht
men de neuronale correlaten van het bezit van het eigen lichaam, door hersenactivatie te meten (mbv
PET scan) terwijl een extern voorwerp al dan niet gezien werd als een deel van het lichaam.
Proefpersonen bekeken een rubberen hand, die synchroon of asynchroon werd aangeraakt met de
aanraking van de eigen hand, die niet gezien wordt. Wanneer dit synchroon gebeurt, zien de
proefpersonen de rubberen hand als de eigen hand, met een verandering in de hersenactiviteit als
gevolg. Bezit van het eigen lichaam werd gelinkt aan activiteit in de rechter posterieure insula (gelinkt
aan zelfrepresentaties van sensorimotorische gebeurtenissen) en rechter frontaal operculum. Rechter
posterieure insula is bovendien vaak beschadigd bij patiënten met anosognosie bij hemiparese. Deze
structuren vormen een netwerk dat een fundamentele rol speelt in het linken van aanwezige
sensorische stimuli aan het eigen lichaam, en dus in zelfbewustzijn. Wanneer echter de hand niet
aanvaard werd als deel van het lichaam observeerde men activiteit in de contralaterale primaire en
secundaire somatosensorische cortex. Een basisvorm van lichaams-zelfbewustzijn wordt dus
gegenereerd in de hersenen via sensorische stimulatie en assimilatie met een vooraf bestaand
„lichaamsschema‟ in de hersenen. (bijvoorbeeld, als de linkerhand wordt aangeraakt terwijl een rechter
rubberen hand wordt getoond zal deze niet als behorend tot het eigen lichaam beschouwd worden)
„Agency‟ over het lichaam, in eerdere studies vaak verantwoordelijk gesteld voor bewustzijn van het
eigen lichaam, vereist dan activatie in bijkomende hersengebieden.48 Omgekeerd, het verlies van het
besef van het eigen lichaam, of een buitenlichamelijke ervaring, waarbij men zichzelf ervaart als
buiten het lichaam zou het gevolg zijn van een activatie van de temporopariëtale junctie-meer
specifiek de angulaire-supramarginale junctie ter hoogte van de superieure temporele gyrus-sulcus46
voornamelijk ter hoogte van de rechterzijde van de hersenen. Activatie van deze angulaire en
supramarginale
junctie verandert de vestibulaire en somatosensorische integratie van de
lichaamsoriëntatie in de ruimte. Het gebied van de superieure temporele cortex over het algemeen
wordt beschouwd als verantwoordelijk voor zelf-perceptie, als één component van zelfbewustzijn.
Deze ervaringen werden reeds vermeld bij patiënten met bijna doodservaringen, maar ook bij epilepsie
en migraine, en bij elektrische stimulatie van de temporopariëtale junctie van de rechter hersenhelft.
Dit kan gebeuren met of zonder de indruk dat men het lichaam ziet vanaf een afstand (autoscopie), wat
het resultaat zou zijn van coactivatie van meer posterieur gelegen visuele banen.49
Lou et al. stellen dat het zelfbewustzijn verantwoordelijk is voor de coherentie van het bewustzijn: per
definitie kunnen we geen losse sensaties hebben zonder een zelf om deze te ervaren, en we kunnen
geen zelf hebben volledig losstaand van sensorische ervaringen, herinneringen en gevoelens. Met
name, als elk van de verschillende ervaringen gebonden wordt met dezelfde coherente zelfstructuur
doorheen tijd en ruimte, zullen deze ervaringen automatisch gebonden worden via de zelf. Een circuit
van paralimbische prefrontale en pariëtale regio‟s zouden hiervoor verantwoordelijk zijn. Eerdere
studies toonden aan dat activiteit in deze circuits een kritische rol speelt in zelfbewustzijn en ophaling
van herinneringen van persoonlijke ervaringen, maw episodische herinneringen. Het ophalen van
episodische herinneringen is bij definitie een onmisbaar component van de meer complexe vormen
van zelfbewustzijn en bewustzijn met een coherente zelf doorheen de tijd. Een kritische rol in
bewustzijn van de mediale pariëtale cortex en zijn verbindingen met de mediale prefrontale cortex,
direct en via de thalamus, wordt ook gesuggereerd door het feit dat dysfunctie ervan nauw
gecorreleerd is met de VS, en het herstel ervan met herstel van bewustzijn. De functionele integratie
van deze structuren zou gebeuren via synchronisatie in de gamma reeks. De verbindingen binnen het
circuit zijn reciprook, en vormen zo een paralimbische lus. Paralimbische gamma synchronisatie zou
dus verantwoordelijk zijn voor de coherentie van bewustzijn via zelfreferentie. Dit circuit interageert
met verschillende corticale regio‟s afhankelijk van de inhoud van bewustzijn en bevat reciproke
verbindingen met de intralaminaire nuclei van de thalamus. Elke structuur binnen dit circuit draagt
fundamentele eigenschappen bij tot het zelfbewustzijn.50
Verschillende theorieën hebben zelfs de mogelijkheid naar voor gebracht dat het bewustzijn in zijn
geheel pas ontstaat via de mogelijkheid om te reflecteren op de eigen ervaringen. De hersenen zouden
een beeld vormen van wat het ziet, maar men zou er zich pas bewust van worden wanneer men dat
beeld van binnenuit zou bekijken. De onbewuste of onderbewuste percepties zouden zich vormen in
posterieur gelegen regio‟s van de cortex, betrokken in de categorisatie/associatie van sensorische
stimuli. Deze percepties zouden dan bewust worden wanneer vooral anterieure prefrontale en cinguli
regio‟s, betrokken in zelfrepresentaties, interageren met de posterieure cortex.6,14,8 Dit scenario wordt
echter minder logisch wanneer men bedenkt dat wanneer men geabsorbeerd raakt in een bepaalde
intense perceptuele taak, (bijvoorbeeld een videogame spelen) men ondergedompeld is in de snelle
47
flow van de ervaring, zonder enige nood aan reflectie of introspectie. We kunnen zelfs zodanig
geabsorbeerd raken dat we „onszelf verliezen‟. Uit een recente studie bleek dat de inactivatie van
prefrontale regio‟s de neuronale correlaat is van „zichzelf verliezen‟, aangezien het bij een snelle
categorisatie oefening uitgeschakeld werd. Dit betekent dus dat deze regio niet nodig is voor
perceptueel bewustzijn, maar slechts om erover na te denken en te vertellen aan anderen. Studies van
lesies in de hersenen steunen ook het idee dat de prefrontale cortex niet noodzakelijk is voor
bewustzijn.6
5 Discussie
Het blijkt dus dat er vele verschillende, en soms heel uiteenlopende theorieën bestaan over de NCC.
De reden waarom deze op dit moment nog niet verder bevestigd of verworpen kunnen worden is
enerzijds het feit dat er nog geen algemeen aanvaarde definitie bestaat van het bewustzijn, en
anderzijds de beperkingen in het onderzoek van de NCC op het menselijk brein.
Dit gebrek aan een definitie leidt tot verschillen in theorieën voor de neuronale correlaten van het
bewustzijn, aangezien men reeds van bij het vertrekpunt kan verschillen. Dit is bijvoorbeeld het geval
voor het vernoemde fenomenologisch bewustzijn, de ene onderzoeker beschouwt dit als een onderdeel
van het bewustzijn, terwijl anderen stellen dat fenomenologische ervaringen eigenlijk onbewust
verlopen. Ook worden verschillen gevonden indien men het totaal bewustzijn beschouwt, ofwel
slechts op zoek gaat naar de mechanismen voor een minimaal bewustzijn, voldoende voor
waakzaamheid en besef.
Om duidelijke redenen is men beperkt in het onderzoek naar de NCC op het menselijk brein. De
ontwikkeling van de neurologische beeldvorming en zeker de functionele beeldvorming betekende een
grote vooruitgang voor het onderzoek naar de NCC. Voornamelijk het fMRI onderzoek op gezonde
proefpersonen en op patiënten met stoornissen van het bewustzijn heeft veel bijkomende informatie
opgeleverd. Toch is ook dit onderzoek niet voldoende om de naar voor gebrachte hypothesen met
zekerheid te aanvaarden of uit te sluiten. Dit omdat men nog niet voldoende kennis heeft over de
functionele neuroanatomie van het menselijk brein om deze resultaten volledig correct te interpreteren.
Naast een grote aanwinst in het bewustzijnsonderzoek zorgt de fMRI ook voor bijkomende informatie
voor het stellen van de diagnose en bepalen van de prognose van patiënten met een stoornis van het
bewustzijn. De fMRI zou mogelijks in de toekomst zelfs de gedragscriteria voor bewustzijn kunnen
vervangen met behulp van welbepaalde onderzoeksparadigma waarbij de patiënt gevraagd wordt zich
iets in te beelden. Echter, betekent het inbeelden van een actie, bijvoorbeeld het spelen van tennis, ook
werkelijk dat de persoon in kwestie bewust is? Anders gezegd, zou hetzelfde activatiepatroon ook
automatisch geproduceerd kunnen worden? Vele stimuli, waaronder ook gezichten, spraak en pijn,
veroorzaken relatief „automatische‟ responsen van de hersenen. Vele aspecten van cognitie kunnen
48
doorgaan in afwezigheid van bewust besef. Dit betekent dus dat „normale‟ neuronale responsen bij
patiënten die gediagnosticeerd zijn met vegetatieve toestand niet noodzakelijkerwijs betekent dat dit
gepaard gaan met bewuste ervaring.23,19 Owen et al. brengen een aantal argumenten naar voor ten
gunste van een bewuste respons. Ten eerste zijn de responsen bij deze personen langer dan dat men
zou verwachten als deze responsen automatisch zijn. Ten tweede zou er empirisch bewijs moeten
bestaan dat woorden zoals „tennis‟ een statistisch significante verandering kan teweegbrengen in de
hersenactiviteit van een individu die geen bewust besef bezit. Bovendien moet deze verandering tot 30
seconden aanhouden en stoppen wanneer het individu geconfronteerd wordt met een ander woord.
Dergelijke data is volgens de auteur van het artikel onbestaande. Dit zou betekenen dat dit gebruikt
zou kunnen worden als een neuronaal equivalent voor gedrag, met andere woorden de identificatie van
gewild, vrijwillig gedrag in afwezigheid van duidelijke actie.19
De mogelijkheid om fMRI te gebruiken voor de detectie van bewustzijn bij patiënten in vegetatieve
toestand heeft ook belangrijke implicaties voor de wettelijke besluitvorming in verband met
levensverlenging of anders gezegd, leven na ernstige hersenschade. Men kan nooit zeker weten dat een
patiënt in vegetatieve toestand volledig onbewust is. Op dit moment worden beslissingen in verband
met levensverlengende interventies (hydratatie en voeding) slechts gemaakt wanneer de diagnose van
permanente vegetatieve toestand gesteld is. In sommige landen (Engeland en Wales) moet een
beslissing genomen worden door de rechtbank, hoewel in veel andere landen deze beslissing gemaakt
wordt in samenspraak tussen arts en de familie van de patiënt. Of fMRI zal gebruikt worden als hulp
bij deze beslissing is nog niet uitgemaakt. Maar het staat vast dat als er tekens van bewustzijn
gevonden zouden worden in patiënten in permanente vegetatieve toestand dit diepgaande gevolgen
zou hebben voor het maken van deze beslissing. Aan de andere kant moeten negatieve resultaten ook
met de nodige voorzichtigheid behandeld worden, aangezien vals negatieve bevindingen niet zeldzaam
zijn bij functionele beeldvorming, zelf bij gezonde vrijwilligers. Een patiënt kan bijvoorbeeld in slaap
vallen in de scanner, of het kan gebeuren dat hij/zij de taak niet goed heeft gehoord of begrepen.19
Tenslotte is het ook de vraag hoe vaak het voorkomt dat vegetatieve patiënten op deze manier toch
tekens van bewustzijn vertonen. Gegevens tonen aan dat het niet uniek is voor de eerder vernoemde
studie, maar dat de situatie waarschijnlijk zeldzaam is.19 Vandaar dat fMRI niet toepasbaar zal zijn op
alle vegetatieve patiënten. Bijvoorbeeld vijf maanden na een ictus (zoals bij de voorbeeldpatiënt) is de
incidentie van herstel van bewustzijn na traumatische hersenschade nog 20%. Non-traumatische letsels
hebben een veel slechtere prognose. De waarschijnlijkheid van herstel bij patiënten in de permanente
vegetatieve toestand is ook veel lager. In vele van deze gevallen zullen standaard klinische technieken,
waaronder structurele MRI, voldoende zijn om enige potentieel van normale activatie uit te sluiten, en
zal fMRI dus niet nodig zijn.23
49
Bovendien heeft dit soort onderzoek bij DOC patiënten te maken met een aantal methodologische
problemen. Ten eerste is er de mogelijkheid van artefact en geluidsbronnen bij deze nietcollaboratieve patiënten. Ook hebben deze patiënten vaak ernstige diffuse hersenschade leidend tot
extreme hersenatrofie en secundaire hydrocefalie, of grote focale letsels wat resulteert in een
grotendeels vervormd brein.27 Ondanks de voordelen van deze techniek moet vermeld worden dat het
gebruik van fMRI ook vele beperkingen heeft en dat men voorzichtig moet zijn wanneer men deze
informatie overbrengt naar familie en verzorgers. Het is ook belangrijk te benadrukken dat behalve
wanneer een patiënt op een reproduceerbare manier heeft gereageerd op een bevel via mentale
inbeelding of een andere vorm van mentale activiteit die wijst op vrije wil, men niet met zekerheid kan
stellen dat deze patiënten een besef van zichzelf of omgeving bezitten.24
Toch heeft men dankzij de bestaande onderzoeksmogelijkheden reeds veel vooruitgang geboekt in het
bewustzijnsonderzoek. Verschillende studies hebben nu al geleid tot de consensus dat bewustzijn
geassocieerd is met slechts een onderdeel van alle neuroanatomische gebieden en processen, maar er
bestaat dus nog geen overeenkomst over welk specifiek onderdeel nu verantwoordelijk is voor
bewustzijn. Aan het ene uiteinde stellen onderzoekers voor dat het ontstaat op kleine schaal, door een
unieke reeks van cellen in welbepaalde regio‟s. Aan het andere uiteinde stellen onderzoekers dat het
een synchronisatie op grote schaal vereist over de hersenen.11 Veel argumenten wijzen inderdaad in de
richting van activiteit van neuronale populaties verspreid over verschillende corticale en subcorticale
hersenregio‟s als de zetel voor bewustzijn. Toch blijft het volgens een aantal onderzoekers mogelijk
dat, ondanks deze argumenten, alleen een onderdeel, of zelfs slechts één van de gebieden gevonden in
ablatie studies als zijnde belangrijk voor bewustzijn, eigenlijk verantwoordelijk is voor bewuste
ervaring, en dat de andere gebieden slechts dienst doen als leveranciers van informatie naar deze
regio.44
De meeste theorieën en recente data suggereren toch dat de synthese van cognitieve informatie een
essentiële vereiste is voor bewustzijn. Integratieve neuronale activiteiten zoals recurrente verwerking
van hogere naar lagere corticale gebieden en coherente gamma oscillaties zijn reeds geassocieerd met
hogere cognitieve functie van bewustzijn. Er bestaat een bijzondere focus daarbij op de functionele en
effectieve connectiviteit van het thalamocorticaal en corticocorticaal systeem wegens hun
mogelijkheid om activiteit van functioneel verschillende congitieve modules te integreren.52 Het
aantonen van het voorgestelde belang van synchronisatie in het menselijk brein zal technisch
veeleisend zijn, maar de evidentie die reeds beschikbaar is suggereert dat selectieve synchronisatie van
neuronale activiteit inderdaad zou kunnen vereist zijn voor bewustzijn. Verschillende van deze
theorieën zijn het er met andere woorden over eens dat een bepaald soort patroon van verdeelde
neuronale activiteit cruciaal zou kunnen zijn voor bewustzijn, dus met andere woorden dat besef een
fysiologie heeft net zoals een anatomie.5
50
De informatie integratie theorie van Tononi en de globale werkruimte theorie kunnen naar voor
gebracht worden als heden ten dage de meest invloedrijke theorieën voor de neuronale correlaten van
het bewustzijn. Op dit moment is de geldigheid van deze theorieën en hun implicaties afhankelijk van
de mogelijkheid van deze theorieën om een verklaring te bieden voor bepaalde fenomenologische
observaties en bepaalde elementaire feiten over bewustzijn en de hersenen. Experimentele
ontwikkelingen zou het testen van sommige voorspellingen moeten mogelijk maken.6
Over de functie van het zogenaamde „default‟ netwerk bestaat nog veel onzekerheid. Het is reeds in
associatie
gebracht
met
zelf-gerelateerde
processen,
als
het
intern
deel
van
het
frontotempopariëtotemporaal associatienetwerk. Anderzijds werd het ook al gelinkt aan spontane
gedachte, de geest de vrije loop laten. Tenslotte zijn er ook auteurs die stellen dat het eerder gaat om
een meer fundamentele en intrinsieke eigenschap van functionele hersenorganisatie.22 Ondanks de
bestaande discussie omtrent de functie van dit „default‟ netwerk maken verschillende eigenschappen
ervan, zoals dat het wijdverspreid is, cognitieve en emotionele verwerking integreert, en experimenteel
kan beïnvloedt worden, het de moeite dit gebied verder te bestuderen met het oog op bewustzijn.43
6. Referenties
1. Tononi G. An information integration theory of consciousness. BMC Neuroscience 2004. 5 (42):
2202-1471
2. Alkire M.T, Hudetz A.G, Tononi G. Consciousness and anesthesia. Science 2008 Nov 7. 322
(5903): 880-876
3. Cologan V, Schabus M, Ledoux D, Moonen G, Maquet P, Laureys S. Sleep in disorders of
consciousness. Sleep medicine reviews 2010. 14(2): 105-97
4. Evans B.M. Sleep, consciousness and the spontaneous and evoked electrical activity of the brain. Is
there a cortical integrating mechanism? Neurophysiologie clinique 2003. 33(1): 10-1
5. Zeman A. Consciousness. Brain 2001. 124(7): 1289-1263
6. Tononi G, Koch F. The neural correlates of consciousness. Ann. N.Y. Acad. Sci. 2008. 1124: 261239
7. Laureys S, Perrin F, Brédart S. Self-consiousness in non-communicative patients. Consciousness
and cognition 2007. 16(3): 741-722
8. Seth A.K, Dienes Z, Cleeremans A, Overgaard M, Pessoa L. Measuring consciousness: relating
behavioural and neurophysiological approaches. Trends in cognitive sciences 2008. 8(12): 321-314
9. Seth A.K, Izhikevich E, Reeke G.N, Edelman G.M. Theories and measures of consciousness: an
extended framework. PNAS. 2006 July 11. 103(28): 10804-10799
10. He B.J, Raichle M.E. The fMRI signal, slow cortical potential and consciousness. Trends in
cognitive sciences 2009. 13(7): 309-302
11. Morsella E, Krieger S.C, Bargh J.A. Minimal neuroanatomy for a conscious brain: homing in on
the networks constituting consciousness. Neural networks 2010. 23(1): 15-14
12. Crick F, Koch C, Kreiman G, Fried I. Consciousness and neurosurgery. Neurosurgery 2004. 55
(2): 282-273
13. Gamez D. Information integration based predictions about the conscious states of a spiking neural
network. Consciousness and cognition 2010. 19(1): 310-294
14. Raffone A, Srinivasan N. The exploration of meditation in the neuroscience of attention and
meditation. Cogn. Process. 2010 Feb. 11(1): 7-1
51
15. Baerentsen K.B, Stodkilde-Jorgensen H, Sommerlund Bo, Hartmann T, Damsgaard-Madsen J,
Fosnaes M et al. An investigation of brain processes supporting meditation. Cogn. Process. 2010.
11(1): 84-57
16. Oakley D. A, Halligan P.W. Hypnotic suggestion and cognitive neuroscience. Trends in cognitive
sciences. 2009. 13 (6): 270-264
17. McGeown W.J, Mazzoni G, Venneri A, Kirsch I. Hypnotic induction decreases anterior default
mode activity. Consciousness and cognition 2009. 18(4): 855-848.
18. Bernat J.L. Current controversies in states of chronic unconsciousness. Neurology clinical practice
2010. 75(1): 538-533
19. Owen A.M, Coleman M.R. Functional neuroimaging of the vegetative state. Nature 2008. 9(3):
243-235
20. Laureys S. The neural correlate of (un)awareness: lessons from the vegetative state. Trends in
cognitive sciences 2005 Dec. 9 (12): 559-556
21. Cruse D, Owen A.M. Consciousness revealed: new insights into the vegetative and minimally
conscious states. Current opinion in Neurology 2010. 23(6): 660-656
22. Boly M, Phillips C, Tshibanda L, Vanhaudenhuyse A, Schabus M, Dang-Vu T.T et al. Intrinsic
brain activity in altered states of consciousness. Ann. N.Y. Acad. Sci. 2008. 1129: 129-119
23. Owen A.M, Coleman M.R. Functional MRI in disorders of consciousness: advantages and
limitations. Current opinion in neurology 2007. 20(6): 637-632.
24. Coleman M.R, Davis M.H, Rodd J.M, Robson T, Ali A, Owen A.M et al. Towards the routine use
of brain imaging to aid the clinical diagnosis of disorders of consciousness. Brain 2009. 132(9): 25522541
25. Di H.B, Yu S.M, Weng X.C, Laureys S, Yu D, Li J.Q. Cerebral response to patient‟s own name in
the vegetative and minimally conscious states. Neurology 2007. 68(12): 899-895
26. Boly M, Faymonville M-E, Peigneux P, Lambermont B, Damas F, Luxen A. Cerebral processing
of auditory and noxioux stimuli in severely brain injured patients: differences between VS and MCS.
Neuropsychological rehabilitation. 2005. 15(3/4) 289-283
27. Noirhomme Q, Soddu A, Lehembre R, Vanhaudenhuyse A, Boveroux P, Boly M, Laureys S.
Brain connectivity in pathological and pharmacological coma. Frontiers in systems neuroscience 2010.
160 (4): 6-1
28. Hudetz A.G. Feedback suppression in anesthesia. Is it reversible? Consciousness and cognition
2009 Dec. 18 (4): 1081-1079
29. Eriksson J, Larsson A, Ahlstrom K.R, Nyberg L. Similar frontal and distinct posterior cortical
regions mediate visual and auditory perceptual awareness. Cerebral cortex. 2007. 17(4): 765-760
30. Bodovitz S. The neural correlate of consciousness. Journal of theoretical biology 2008 Oct. 7.
254(3): 598-594
31. Vakapoulos C. Neural correlates of consciousness: a definition of the dorsal and ventral streams
and their relation to phenomenology. Medical hypotheses 2005. 65 (): 931-922
32. LaBerge D, Kasevich R. The apical dendrite theory of consciousness. Neural networks 2007.
20(9): 1020-1004
33. Friston K, Kilner J, Harrison L. A free energy principle for the brain. Journal of physiology-Paris.
2006. 100(1-3): 87-70
34. Fell J. Identifying neural correlates of consciousness: the state space approach.
35. Hameroff S. The “conscious pilot”-dendritic synchrony moves through the brain to mediate
consciousness. J. Biol. Phys. 2010. 36(1): 93-71
36. Woolf NJ, Hameroff SR. A quantum approach to visual consciousness. Trends Cogn. Sci. 2001
Nov 1. 5(11): 478-472
37. Tononi G, Massimini M. Why does consciousness fade in early sleep? Ann. N.Y. Acad. Sci. 2008.
1129: 334-330 38. Baars BJ. Global workspace theory of consciousness: toward a cognitive
neuroscience of human experience. 2005. 150: 53-45
39. Sergent C, Dehaene S. Neural processes underlying conscious perception: experimental findings
and a global neuronal workspace framework. Journal of physiology-Paris. 2005. 98 (4-6): 384-374
41. Lagercrantz H, Changeux J-P. The emergence of human consciousness: from fetal to neonatal life.
Pediatric research 2009. 65(3): 260-255
42. Block N. Two neural correlates of consciousness. Trends in cognitive sciences. 2005. 9(2): 52-46
52
43. Greicius M.D, Krasnow B, Reiss A.L, Menon V. Functional connectivity in the resting brain: a
network analysis of the default mode hypothesis. PNAS 2003 Jan 7. 100(1) 258-253
44. Sevush S. Single neuron theory of consciousness. Journal of theoretical biology. 2006. 238(3):
725-704
45. Morin A. Levels of consciousness and self-awareness: a comparison and integration of various
neurocognitive views. Consciousness and cognition 2006. 15(2): 371-358
46. Tagini A, Raffone A. The „I‟ and „Me‟ in self-referential awareness: a neurocognitive hypothesis.
Cogn. Process. 2009. 11(1): 20-9
47. Picard F, Craig A.D. Estatic epileptic seizures: a potential window on the neural basis for human
self-awareness. Epilepsy&behaviour. 2009. 16(3): 546-539
48. Tsakiris M, Hesse M.D, Boy C, Haggard P, Fink G.R. Neural signatures of body ownership: a
sensory network for bodily self-consciousness. Cerebral cortex 2007. 17(10): 2244-2235
49. De Ridder D, Van Laere K, Dupont P, Menovsky T, Van de Heyning P. Visualizing out-of-body
experience in the brain. The new england journal of medicine 2007. 357(18): 1833-1829
50. Lou H.C, Gross J, Biermann-Ruben K, Kjaer T.W, Schnitzler A. Coherence in consciousness:
paralimbic gamma synchrony of self-reference links conscious experiences. Human brain mapping
2010. 31(2): 192-185
51. Lee U, Mashour G.A, Kim S, Noh G-J, Choi B-M. Propofol induction reduces the capacity for
neural information integration: implications for the mechanisms of consciousness and general
anesthesia. Consciousness and cognition 2009. 18(1): 64-56
52. Owen AM, Coleman MR, Boly M, Davis MH, Laureys S, Pickard JD. Detecting awareness in the
vegetative state. Science. 2006 Sep 8. 313(5792):1402
53