Hur globala mentala tillstånd påverkar medvetandet – ett neurobiologiskt perspektiv
Forskning om medvetandet har gjort stora framsteg, men kunskap om hur grundläggande aspekter av medvetandet förhåller sig till varandra saknas. Medvetna upplevelser är definierande för ”medvetandet” och innebär helt enkelt att det ”upplevs” på ett visst sätt att se, höra, osv. En andra aspekt är medvetandegraden, vilket syftar till det globala mentala tillstånd som utgör en grund för medvetandet.
Ett vanligt antagande är att medvetandegraden specifikt påverkar medvetna upplevelser. Detta kan tyckas självklart, då vi verkar förlorar förmågan till upplevelser då vi ”förlorar medvetandet”. Det händer dock att personer har medvetna upplevelser trots att de är nedsövda, och vi kan bearbeta information omedvetet även när vi är vakna.
Kan det vara så att medvetandegrad egentligen inte har någon specifik koppling till medvetna upplevelser, utan istället är en så basal aspekt av hur hjärnan arbetar att den påverkar alla mentala processer, oavsett upplevelser? Det pågår en livlig debatt om detta, men empiriska data saknas.
Vårt unika bidrag är att empiriskt undersöka om medvetandegraden faktiskt har en specifik relation till medvetna upplevelser. I en serie experiment kommer vi att undersöka hur medvetandegraden påverkar mentala processer, genom att manipulera både medvetandegrad och upplevelsen av sinnesintryck, samtidigt som hjärnaktivitet mäts med funktionell hjärnavbildning. I och med detta kommer vi att klargöra grundläggande antaganden om vad det innebär att ”vara medveten”.
Slutredovisning
Syfte och utveckling
Vid forskning om hur hjärnan skapar medvetandet är det vanligt att man antingen manipulerar medvetandegraden eller medvetandets innehåll. För att experimentellt styra innehållet kan man använda olika presentationstekniker (t.ex. ”continuous flash suppression”) så att man kan jämföra hur hjärnan arbetar med information som deltagaren har upplevt sig se (dvs. har haft en medveten upplevelse av) med information som deltagaren tagit till sig utan att ha haft en upplevelse (dvs. omedveten informationsbearbetning). För medvetandegraden kan man istället påverka individer med medicinska preparat som påverkar vakenhetsgraden och t.ex. jämföra hjärnaktivitet då personer är vid medvetandet med ett medvetslöst tillstånd. Det är dock okänt hur dessa två aspekter av medvetandet förhåller sig till varandra. I detta projekt har vi därför för första gången kombinerat dessa två manipulationer för att se hur hjärnaktivitet ändras som funktion av både hög/låg vakenhetsgrad och medveten/omedveten bearbetning av information. En huvudfrågeställning är om medvetandegraden specifikt påverkar medvetet bearbetad information eller om den påverkar informationsbearbetning oavsett vad deltagarna upplevde sig se (dvs. både medveten och omedveten bearbetning). Eftersom medvetandegraden kan påverkas av ett flertal olika preparat samt även varierar naturligt (sömn/vakenhet), och de specifika underliggande mekanismerna varierar mellan preparat, var en målsättning med projektet att manipulera medvetandegraden på flera olika sätt för att undersöka eventuella skillnader i hur ändrad medvetandegrad påverkar medveten/omedveten informationsbearbetning.
Genomförande
Den ursprungliga planen innehöll tre delstudier, där manipulation av medvetandeinnehåll hålls konstant genom alla experiment (visuospatiala stimuli som visas eller döljs från medvetandet med hjälp av ”continuous flash suppression”) men där propofol, ketamin, samt sömndeprivering var tänkt att användas för att manipulera medvetandegraden. Ett avgörande steg för genomförbarhet var att inte söva ner deltagarna så mycket att de blev medvetslösa, utan endast i så stor utsträckning det gick utan att de slutade genomföra de uppgifter som skulle lösas medan hjärnaktivitet mättes med fMRI. Ett stabilt beteende är viktigt för att på ett tillförlitligt sätt kunna avgöra vilka stimuli som deltagarna har en upplevelse av att se och vilka som är omedvetna. Delstudie 1 (propofol) gick bra, men vid testning inför delstudie 2 (ketamin) fann vi att den dissociativa effekten av ketamin gjorde det svårt för deltagare att följa instruktioner och lösa uppgifter på ett stabilt sätt. Vi bytte därför från ketamin till dexmedetomidin för delstudie 2 – ett byte som visade sig väldigt fruktsamt (se nedan). Delstudie 3 (sömndeprivering) gick bra, men blev fördröjd och genomförandet något försvårad på grund av corona-pandemin.
Viktiga resultat och slutsatser
I delstudie 1 fann vi att propofol påverkar både medveten och omedveten informationsbearbetning. Implikationerna av detta är bland annat att man inte kan anta att en ändrad medvetandegrad endast ändrar de hjärnprocesser som är kopplade till medvetna upplevelser. Den forskning som gjorts till syfte att belysa hur hjärnan genererar ”medvetandet” och där man valt att manipulera medvetandegraden bör därför tolkas med stor försiktighet, eftersom de skillnader man funnit mycket väl kan vara kopplade till ändringar av omedveten informationsbearbetning. Vi vill som följd av vårt fynd hävda att det är missvisande att använda termen ”medvetandegrad” och att man istället bör använda ”vakenhetsgrad” eller liknande terminologi.
I delstudie 2 fann vi att dexmedetomidin specifikt påverkar medveten informationsbearbetning, medan omedveten informationsbearbetning var opåverkad. Detta gör att fortsatt utforskning av effekterna av dexmedetomidin skulle kunna komma att belysa medvetandets neurobiologiska bas på ett unikt sätt. Gängse forskning indikerar att dexmedetomidin framför allt påverkar neurotransmittorn noradrenalin. Noradrenalin är kopplat till ett flertal olika processer i hjärnan, bland annat uppmärksamhet och minne. Noradrenalin anses kvalitativt ändra hur nervceller bearbetar information, medan flera andra neurotransmittorer, t.ex. acetylkolin och GABA, ”endast” ändrar deras amplitud. Kanske kan dessa och liknande pusselbitar ge oss en ökad förståelse för hur hjärnan genererar vårt medvetande. Ett antal frågetecken kvarstår dock innan vi säkert kan säga att noradrenalin har en förmåga att specifikt påverka medveten informationsbearbetning (se nedan).
Datainsamlingen för delstudie 3 (sömndeprivering) blev fördröjd till följd av corona-pandemin, men är klar och dataanalyser är påbörjade. Inga resultat finns dock att redovisa i dagsläget.
Nya forskningsfrågor
En viktig del av medvetandeforskningen är att försöka förstå vilka individer som har kapacitet till medvetna upplevelser, vilket är relevant för bl.a. hjärnskadade patienter och för att tillförlitligt kunna veta att patienter som ska sövas inför större operationer slipper uppleva själva ingreppen. Ett flertal s.k. ”markers of consciousness” har föreslagits, men den bakomliggande forskningen har inte tidigare tagit hänsyn till ändringar av omedveten informationsbearbetning. Resultat från delstudie 1 visar att detta är problematiskt. I och med det experimentparadigm vi här utarbetat (kombination av manipulerad vakenhetsgrad och medveten/omedveten informationsbearbetning) finns nu möjligheten att verifiera tidigare markörer, eller hitta nya som är mer tillförlitliga.
Fyndet att dexmedetomidin specifikt påverkar medveten informationsbearbetning skapar lovande möjligheter, eftersom det potentiellt kan ge information om vilka neurofysiologiska mekanismer som ligger till grund för hur hjärnan genererar medvetna upplevelser. Det finns dock ett flertal frågetecken som behöver rätas ut innan tydliga slutsatser kan dras. Ett av problemen är att noradrenalin är förknippat med uppmärksamhetsfunktioner. Kanske avspeglar den effekt vi sett i våra data ändrad uppmärksamhet snarare än en direkt relation mellan noradrenalinnivåer och medveten informationsbearbetning. Ett annat problem är att olika neurotransmittorsystem i hjärnan interagerar, så ändrade nivåer av noradrenalin kan i sin tur leda till ändrade nivåer av acetylkolin, dopamin, m.m. Att verifiera relationen mellan noradrenalin och medveten informationsbearbetning är därför avgörande för fortsatt progress.
Eftersom detta är första gången som både vakenhetsgrad och medvetandeinnehåll manipuleras tillsammans är det viktigt att fynden replikeras, men även att generaliserbarheten undersöks. Det är till exempel oklart om effekterna från ändrad vakenhet är densamma om andra stimuli, uppgifter, samt manipulationer av upplevelsen av stimuli, används.
Spridning av forskning och resultat
Resultat från projektet har publicerats och kommer fortsätta publiceras med open access i internationella peer-review tidskrifter, och har presenterats vid internationella vetenskapliga konferenser samt lokala vetenskapliga sammankomster och i undervisning. Deltagande i konferenser har påverkats negativt av den pågående pandemin.
Publikationslista
Artiklar:
Fontan, A., Lindgren, L., Pedale, T., Brorsson, C., Bergström, F., & Eriksson, J. (2021). A reduced level of consciousness affects non-conscious processes. NeuroImage. doi: 10.1016/j.neuroimage.2021.118571
Eriksson, J., Fontan, A., & Pedale, T. (2020). Make the unconscious explicit to boost the science of consciousness. Frontiers in Psychology, 11:260. doi: 10.3389/fpsyg.2020.00260
Fontan, A., Lindgren, L., Pedale, T., Brorsson, C., Karampela, O., Bergström, F., & Eriksson, J. (in preparation). Noradrenergic activity may be a valid target for pharmacological manipulations of consciousness.
Konferenspresentationer:
Fontan A., Lindgren L., Pedale T., Bergström F., Brorsson C., Eriksson J. (2019) Changes in the global state of consciousness affect brain activity related to conscious and non-conscious visual experiences differently. Poster presented at the annual meeting of the Society for Neuroscience, Chicago, USA, October 19-23.
Karampela, O., Fontan A., Lindgren L., Pedale T., Bergström F., Brorsson C., Eriksson J. (2022) Sedation: A probe to explore the neural mechanisms of consciousness. Poster to be presented at the annual meeting of the Organization of Human Brain Mapping, Glasgow, Scotland, June 19-23.
Vid forskning om hur hjärnan skapar medvetandet är det vanligt att man antingen manipulerar medvetandegraden eller medvetandets innehåll. För att experimentellt styra innehållet kan man använda olika presentationstekniker (t.ex. ”continuous flash suppression”) så att man kan jämföra hur hjärnan arbetar med information som deltagaren har upplevt sig se (dvs. har haft en medveten upplevelse av) med information som deltagaren tagit till sig utan att ha haft en upplevelse (dvs. omedveten informationsbearbetning). För medvetandegraden kan man istället påverka individer med medicinska preparat som påverkar vakenhetsgraden och t.ex. jämföra hjärnaktivitet då personer är vid medvetandet med ett medvetslöst tillstånd. Det är dock okänt hur dessa två aspekter av medvetandet förhåller sig till varandra. I detta projekt har vi därför för första gången kombinerat dessa två manipulationer för att se hur hjärnaktivitet ändras som funktion av både hög/låg vakenhetsgrad och medveten/omedveten bearbetning av information. En huvudfrågeställning är om medvetandegraden specifikt påverkar medvetet bearbetad information eller om den påverkar informationsbearbetning oavsett vad deltagarna upplevde sig se (dvs. både medveten och omedveten bearbetning). Eftersom medvetandegraden kan påverkas av ett flertal olika preparat samt även varierar naturligt (sömn/vakenhet), och de specifika underliggande mekanismerna varierar mellan preparat, var en målsättning med projektet att manipulera medvetandegraden på flera olika sätt för att undersöka eventuella skillnader i hur ändrad medvetandegrad påverkar medveten/omedveten informationsbearbetning.
Genomförande
Den ursprungliga planen innehöll tre delstudier, där manipulation av medvetandeinnehåll hålls konstant genom alla experiment (visuospatiala stimuli som visas eller döljs från medvetandet med hjälp av ”continuous flash suppression”) men där propofol, ketamin, samt sömndeprivering var tänkt att användas för att manipulera medvetandegraden. Ett avgörande steg för genomförbarhet var att inte söva ner deltagarna så mycket att de blev medvetslösa, utan endast i så stor utsträckning det gick utan att de slutade genomföra de uppgifter som skulle lösas medan hjärnaktivitet mättes med fMRI. Ett stabilt beteende är viktigt för att på ett tillförlitligt sätt kunna avgöra vilka stimuli som deltagarna har en upplevelse av att se och vilka som är omedvetna. Delstudie 1 (propofol) gick bra, men vid testning inför delstudie 2 (ketamin) fann vi att den dissociativa effekten av ketamin gjorde det svårt för deltagare att följa instruktioner och lösa uppgifter på ett stabilt sätt. Vi bytte därför från ketamin till dexmedetomidin för delstudie 2 – ett byte som visade sig väldigt fruktsamt (se nedan). Delstudie 3 (sömndeprivering) gick bra, men blev fördröjd och genomförandet något försvårad på grund av corona-pandemin.
Viktiga resultat och slutsatser
I delstudie 1 fann vi att propofol påverkar både medveten och omedveten informationsbearbetning. Implikationerna av detta är bland annat att man inte kan anta att en ändrad medvetandegrad endast ändrar de hjärnprocesser som är kopplade till medvetna upplevelser. Den forskning som gjorts till syfte att belysa hur hjärnan genererar ”medvetandet” och där man valt att manipulera medvetandegraden bör därför tolkas med stor försiktighet, eftersom de skillnader man funnit mycket väl kan vara kopplade till ändringar av omedveten informationsbearbetning. Vi vill som följd av vårt fynd hävda att det är missvisande att använda termen ”medvetandegrad” och att man istället bör använda ”vakenhetsgrad” eller liknande terminologi.
I delstudie 2 fann vi att dexmedetomidin specifikt påverkar medveten informationsbearbetning, medan omedveten informationsbearbetning var opåverkad. Detta gör att fortsatt utforskning av effekterna av dexmedetomidin skulle kunna komma att belysa medvetandets neurobiologiska bas på ett unikt sätt. Gängse forskning indikerar att dexmedetomidin framför allt påverkar neurotransmittorn noradrenalin. Noradrenalin är kopplat till ett flertal olika processer i hjärnan, bland annat uppmärksamhet och minne. Noradrenalin anses kvalitativt ändra hur nervceller bearbetar information, medan flera andra neurotransmittorer, t.ex. acetylkolin och GABA, ”endast” ändrar deras amplitud. Kanske kan dessa och liknande pusselbitar ge oss en ökad förståelse för hur hjärnan genererar vårt medvetande. Ett antal frågetecken kvarstår dock innan vi säkert kan säga att noradrenalin har en förmåga att specifikt påverka medveten informationsbearbetning (se nedan).
Datainsamlingen för delstudie 3 (sömndeprivering) blev fördröjd till följd av corona-pandemin, men är klar och dataanalyser är påbörjade. Inga resultat finns dock att redovisa i dagsläget.
Nya forskningsfrågor
En viktig del av medvetandeforskningen är att försöka förstå vilka individer som har kapacitet till medvetna upplevelser, vilket är relevant för bl.a. hjärnskadade patienter och för att tillförlitligt kunna veta att patienter som ska sövas inför större operationer slipper uppleva själva ingreppen. Ett flertal s.k. ”markers of consciousness” har föreslagits, men den bakomliggande forskningen har inte tidigare tagit hänsyn till ändringar av omedveten informationsbearbetning. Resultat från delstudie 1 visar att detta är problematiskt. I och med det experimentparadigm vi här utarbetat (kombination av manipulerad vakenhetsgrad och medveten/omedveten informationsbearbetning) finns nu möjligheten att verifiera tidigare markörer, eller hitta nya som är mer tillförlitliga.
Fyndet att dexmedetomidin specifikt påverkar medveten informationsbearbetning skapar lovande möjligheter, eftersom det potentiellt kan ge information om vilka neurofysiologiska mekanismer som ligger till grund för hur hjärnan genererar medvetna upplevelser. Det finns dock ett flertal frågetecken som behöver rätas ut innan tydliga slutsatser kan dras. Ett av problemen är att noradrenalin är förknippat med uppmärksamhetsfunktioner. Kanske avspeglar den effekt vi sett i våra data ändrad uppmärksamhet snarare än en direkt relation mellan noradrenalinnivåer och medveten informationsbearbetning. Ett annat problem är att olika neurotransmittorsystem i hjärnan interagerar, så ändrade nivåer av noradrenalin kan i sin tur leda till ändrade nivåer av acetylkolin, dopamin, m.m. Att verifiera relationen mellan noradrenalin och medveten informationsbearbetning är därför avgörande för fortsatt progress.
Eftersom detta är första gången som både vakenhetsgrad och medvetandeinnehåll manipuleras tillsammans är det viktigt att fynden replikeras, men även att generaliserbarheten undersöks. Det är till exempel oklart om effekterna från ändrad vakenhet är densamma om andra stimuli, uppgifter, samt manipulationer av upplevelsen av stimuli, används.
Spridning av forskning och resultat
Resultat från projektet har publicerats och kommer fortsätta publiceras med open access i internationella peer-review tidskrifter, och har presenterats vid internationella vetenskapliga konferenser samt lokala vetenskapliga sammankomster och i undervisning. Deltagande i konferenser har påverkats negativt av den pågående pandemin.
Publikationslista
Artiklar:
Fontan, A., Lindgren, L., Pedale, T., Brorsson, C., Bergström, F., & Eriksson, J. (2021). A reduced level of consciousness affects non-conscious processes. NeuroImage. doi: 10.1016/j.neuroimage.2021.118571
Eriksson, J., Fontan, A., & Pedale, T. (2020). Make the unconscious explicit to boost the science of consciousness. Frontiers in Psychology, 11:260. doi: 10.3389/fpsyg.2020.00260
Fontan, A., Lindgren, L., Pedale, T., Brorsson, C., Karampela, O., Bergström, F., & Eriksson, J. (in preparation). Noradrenergic activity may be a valid target for pharmacological manipulations of consciousness.
Konferenspresentationer:
Fontan A., Lindgren L., Pedale T., Bergström F., Brorsson C., Eriksson J. (2019) Changes in the global state of consciousness affect brain activity related to conscious and non-conscious visual experiences differently. Poster presented at the annual meeting of the Society for Neuroscience, Chicago, USA, October 19-23.
Karampela, O., Fontan A., Lindgren L., Pedale T., Bergström F., Brorsson C., Eriksson J. (2022) Sedation: A probe to explore the neural mechanisms of consciousness. Poster to be presented at the annual meeting of the Organization of Human Brain Mapping, Glasgow, Scotland, June 19-23.