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Consciousness: Exploring brain activity in coma and other states of consciousness

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Academic year: 2021

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(1)

Helena CASSOL PhD student

Steven LAUREYS MD

University Hospital

& University of Liège

Belgium

coma@ulg.ac.be

www.comascience.org

Consciousness: Exploring brain activity in

coma & related states of consciousness

(2)

Laureys, Trends in Cognitive Sciences, 2005 Laureys et al, Nature Clinical Medicine, 2008

Coma General Anesthesia Locked-in syndrome Minimally Responsive -command following MCS+ - non-reflex movements MCS- “Vegetative” unresponsive Conscious Wakefulness Drowsiness St I-II Sleep St III-IV Sleep Lucid Dreaming REM Sleep Epilepsy Sleepwalking

Consciousness | Neural correlates | Diagnosis | Prognosis | Treatment | Ethics

= necessary but not sufficient

(3)

Boly et al, Ann NY Acad Sci, 2009

Vanhaudenhuyse & Demertzi et al, J Cogn Neursoci, 2011

Measuring awareness

(4)

Measuring consciousness

EEG high density FDG-PET

EEG-TMS MRI

fMRI

Measuring brain activity

Altered states of consciousness

- Pathological : coma

- Pharmacological: anesthesia

- Physiological: hypnosis

(5)

Stender et al, Current Biology, 2016

Consciousness ≠ global brain function

Consciousness | Neural correlates | Diagnosis | Prognosis | Treatment | Ethics

(6)

Thibaut et al, J Rehabil Med, 2012

Consciousness | Neural correlates | Diagnosis | Prognosis | Treatment | Ethics

“Global workspace” of consciousness

UNRESPONSIVE WAKEFULNESS / VEGETATIVE STATE

(7)

Vanhaudenhuyse, Demertzi et al, J Cogn Neursoci 2010 EXTERNAL or SENSORY AWARENESS INTERNAL or SELF AWARENESS

External & internal awareness

(8)

Boly, Garrido, Gosseries, Bruno, Schnakers, Massimini, Litvak, Laureys, Friston, Science, 2011

Consciousness ≈ top-down

(9)

Piarulli et al, J Neurol, 2016

Consciousness | Neural correlates | Diagnosis | Prognosis | Treatment | Ethics

Temporal dynamics of EEG measures

SPECTRAL ENTROPY

MCS

(10)

Diagnostic error after coma

n=103 post-comatose patients

– 45 clinical consensus diagnosis ‘vegetative state’

– 18 signs of awareness (Coma Recovery Scale)

30-40% potential misdiagnosis

Schnakers et al, BMC Neurology, 2009 Stender et al, Lancet, 2014

coma@ulg.ac.be

Diagnostic error after coma

(11)

fMRI-based communication

Monti & Vanhaudenhuyse et al, New Eng J Med, 2010

(12)

Brain Computer Interfaces

Noirhomme et al NeuroImage 2015

Lesenfants, Habbal et al J Neural Engineering 2014

Cruse et al Lancet, 2011, also see Goldfine et al, Lancet, 2013

SCIENCE GROUP

COMA

Consciousness | Neural correlates | Diagnosis | Prognosis | Treatment | Ethics

(13)

Bruno et al, J Neurology, 2012

VEGETATIVE/UNRESPONSIVE

Measuring consciousness

(14)

support

vector

machine

classifier

Classifying “resting” fMRI

Consciousness | Neural correlates | Diagnosis | Prognosis | Treatment | Ethics

Vanhaudenhuyse et al, Brain, 2010 Demertzi et al, Brain, 2015

(15)

Di Perri et al, Lancet Neurol 2016

Pathological hyper-connectivity

(16)

EEG-TMS perturbational complexity index

in sleep, anesthesia & coma

Casaliand Gosseries et al, Science Transl Med, 2013

EEG-TMS Perturbational Complexity Index

(17)

Sarasso et al, Curr Biol, 2015

EEG-TMS Perturbational Complexity Index

(18)

CRS-R vs FDG-PET vs fMRI

Stender & Gosseries et al, Lancet, 2014

PET fMRI

130 patients (29/y)

4 excluded (3%)

81 MCS

41 VS/UWS

4 LIS

110 chronic (87%)

78 non-trauma (62%)

35% clinical misdiagnosis

32% CRS-R misdiagnosis

Multi-modal imaging

(19)

Intralaminar nuclei “reconnections” in spontaneous recovery from “vegetative” unresponsive state

Laureys et al, Lancet 2000 Schiff et al, Nature 2007

Intralaminar nuclei stimulation induces “recovery” from minimally responsive state

Consciousness ≈ thalamo-cortical

(20)

Intralaminar nuclei “reconnections” in spontaneous recovery from “vegetative” unresponsive state

Laureys et al, Lancet 2000

Transcranial direct current stimulation (tDCS)

Thibaut et al, Neurology 2014

Consciousness ≈ thalamo-cortical

(21)

Ethical framework

Fins et al, Am J BioEthics, 2008

Ethical framework

(22)

Boly et al, Lancet Neurology, 2008

Pain in minimally conscious state

(23)

Quality of life

Bruno et al, BMJ Open, 2011

Quality of life

(24)

mesocircuit fronto-parietal model

Laureys & Schiff, NeuroImage, 2012

Giacino, Fins, Laureys, Schiff, Nature Rev Neurol, 2014

Deep brain stimulation

transcranial

Direct

Current

Stimulation

amantadine

zolpidem

Scientific - Neural correlates

Medical

- Diagnosis - Prognosis - Treatment Ethical

Paradigms (re)framed by neuroimaging

(25)

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Références

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