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Russ Juskalian

Biotecnología

PCI, el controvertido y prometedor sistema para medir la conciencia

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Se estima que en el mundo hay hasta 390.000 personas con trastornos de conciencia prolongados, y el índice de complejidad perturbacional podría ser la vía para detectar si realmente siguen estando ahí. Aunque hay quien duda de su eficacia, la técnica ha demostrado una enorme consistencia empírica

  • por Russ Juskalian | traducido por Ana Milutinovic
  • 28 Septiembre, 2021

A primera vista, no hay nada extraordinario en el pequeño hospital que hay en el lado oeste de Milán (Italia), conocido cariñosamente como "Gnocchi". Pero, en la segunda planta, en el ala aislada del Centro S. Maria Nascente de Don Carlo Gnocchi IRCCS, un hombre incapaz de comunicarse por una lesión cerebral grave está conectado a un conjunto tecnológico que los investigadores creen que puede decirles si está consciente.

El hombre está sentado en lo que parece una silla de dentista motorizada, con la cabeza hacia atrás y una mascarilla quirúrgica azul que le cubre la boca y la nariz. Debajo de la barbilla tiene un gorro de malla blanca con 60 electrodos, cada uno conectado a un cable de dos metros de largo. Por encima de él, un conjunto de infrarrojos colocado en un brazo articulado rebota las señales de los sensores conectados a sus sienes para producir en un monitor cercano una superposición de su cerebro en movimiento, construida por resonancia magnética. Un investigador que observa el monitor presiona un óvalo de plástico blanco en el cráneo del hombre y dirige los pulsos electromagnéticos a áreas de su cerebro del tamaño de un caramelo.

Cada pulso produce un clic audible. Tres pesados cables, cada uno del grosor de una manguera, salen de detrás del dispositivo hasta una máquina de un cuarto de millón de dólares que controla la información. Al otro lado de la habitación, el neurocientífico de ojos azules y pelo rizado Marcello Massimini, y la neuróloga del paciente, Angela Comanducci, observan en un ordenador portátil cómo los complicados garabatos azules que representan las ondas cerebrales llenan la pantalla casi en tiempo real. Lo que los científicos ven en ellos es la más mínima señal de una conciencia liminal, tal vez onírica.

un sujeto de control sanoFoto: Una persona sana sirve como sujeto de prueba para el medidor de conciencia. Crédito: Juskaliano Ruso.

En el laboratorio, un ordenador asignará a esos registros de ondas cerebrales un número de 0 a 1, el llamado índice de complejidad perturbacional o ICP (PCI, por sus siglas en inglés). Este número, según Massimini y sus colegas, es una simple medida del tipo de complejidad que revela si una persona resulta consciente. Los investigadores incluso han calculado un umbral de 0,31, que, según un estudio de 2016 de esta tecnología en personas sanas y en otras con lesiones cerebrales, "distingue entre las condiciones inconscientes y las conscientes con 100 % de sensibilidad y 100 % de especificidad". En otras palabras, funciona muy bien.

Más inquietante resulta el hecho de que cuando los investigadores calcularon el PCI de un grupo de pacientes con síndrome de vigilia sin respuesta (SVSR o UWS por sus siglas en inglés, antes conocido como "estado vegetativo"), encontraron que alrededor de uno de cada cinco tenía un valor PCI dentro de la distribución de la conciencia. "Incluso si [ese] paciente no responde para nada, no muestra ningún signo de conciencia, sí que se puede decir con confianza que está consciente" me explicó Massimini.

Ese avance representa el medidor de conciencia más preciso jamás visto en medicina (aunque todavía simple, rudimentario y sin refinar). Las implicaciones médicas son de amplio alcance. Las estimaciones sugieren que hay hasta 390.000 personas en todo el mundo con prolongados trastornos de la conciencia. Algunas de estas personas, que no responden, pueden acabar tratadas como si no hubiera nadie allí dentro, a pesar de que sí experimentan el mundo, despiertas, solas e incapaces de salir de la prisión corporal mientras vivan.

Massimini confía en que el PCI pueda ayudar a identificar a esas personas. En julio de 2021, cuando lo visité en Milán, estaba colaborando con otros investigadores de Milán, Boston, Los Ángeles (ambas en EE. UU.) y más allá. Mientras tanto, las mediciones del PCI ya se usan en Gnocchi para ayudar a llegar al diagnóstico y determinar el potencial de la recuperación parcial.

La solución

El PCI nació de la búsqueda de superar casi un siglo de obstáculos en el camino de la medición de la conciencia. Desde 1924, cuando Hans Berger inventó la electroencefalografía (EEG), los científicos han intentado acceder a las respuestas eléctricas que utilizan nuestros cerebros para comunicarse, con la esperanza de ver, predecir y medir lo que sucede detrás de la protección de 6,5 milímetros de espesor de nuestros cráneos. La invención de Berger detectó cambios en los picos de tensión producidos por nuestras neuronas, convirtiendo esas señales en garabatos parecidos a un sismógrafo popularizados como las "ondas cerebrales".

Los patrones estándar de EEG incluyen ondas alfa rápidas, que oscilan aproximadamente 10 veces por segundo y son comunes en la conciencia, y ondas delta lentas, que oscilan una vez por segundo y son habituales al dormir sin soñar (sueño profundo) o bajo anestesia. Pero escuchar pasivamente el cerebro con EEG es una forma imperfecta de determinar la conciencia, porque las excepciones acechan en todas partes.

La ketamina anestésica puede excitar el cerebro, dando como resultado ondas alfa y delta alternas. Algunos tipos de pacientes en coma muestran oscilaciones rápidas mientras están inconscientes. Y las personas bajo la influencia de atropina o durante un patrón de convulsiones llamado estado epiléptico informan estar conscientes mientras muestran las ondas cerebrales lentas típicas de la inconsciencia.

Un problema aún mayor es que la actividad cerebral de un paciente puede provocar que el EEG pasivo se distorsione y reaccione de manera que sus mensajes se interpreten de forma confusa, como resultado de un período de atención corto, somnolencia, movimientos voluntarios o involuntarios, distracciones visuales o incluso la falta de deseo de seguir las instrucciones.

Lo bueno del PCI es que parece ser una medida objetiva de la conciencia, un sí o un no relativamente sencillo. Lo que lo diferencia del EEG regular, según Massimini, es que mientras que la tecnología más antigua solo mide la actividad cerebral en curso, el PCI mide la capacidad del cerebro para sostener las complejas interacciones internas. Eso se puede hacer, explica, si se le da un golpe al cerebro y luego se sigue cómo esa perturbación se filtra y retumba y actúa a medida que avanza a través de la arquitectura fantásticamente compleja de 86.000 millones de neuronas y sus 100 billones de conexiones en el cerebro humano.

Ese golpe o zap se realiza a través de la estimulación magnética transcraneal (EMT o TMS, por sus siglas en inglés), cuya forma moderna existe desde la década de 1980: se coloca una varita contra la cabeza para disparar un impulso electromagnético al cerebro. Cuando se usa para la corteza motora, la EMT puede provocar contracciones involuntarias de la mano; cuando se dirige a la corteza visual, puede inducir efectos visuales parecidos a un rayo en el ojo de la mente.

Para generar una lectura del PCI, Massimini usa EMT en la corteza cerebral. Luego utiliza EEG para medir lo que sucede. La calidad de la señal posterior al zap es lo que conduce a la medición.

Marcello MassiminiFoto: Marcello Massimini en su oficina de Milán. Créditos: Juskaliano Ruso

Lo que Massimini busca en este EEG alterado es un tipo especial de complejidad organizada, pero no demasiado. La mente consciente no produce ni las ondas perfectamente sincronizadas de una piedra arrojada a un estanque imaginario ni el ruido perfectamente codificado de la nieve en las canales de una televisión analógica. El esquema de la conciencia se parece más a un complejo caos: un modelo único entre un número casi infinito de posibilidades, con ondas cerebrales que parecen similares en algunas áreas y profundamente diferentes en otras.

En la pantalla del hospital, un PCI alto parece una serie de garabatos que comienzan de la misma manera, pero que se van diferenciando a medida se mueven por el cerebro. Un PCI bajo es aún más fácil de detectar: o aparece la misma onda larga y lenta en todas partes, o es una onda en una parte del cerebro y el silencio en las demás partes.

Durante años, Massimini y otros pudieron observar literalmente cómo se registraba la conciencia en la pantalla, pero no sabían cómo cuantificarla. Tenían ideas sobre cómo proceder, ya que la búsqueda del PCI se construyó sobre la base de la teoría de la información integrada (IIT, por sus siglas en inglés), el controvertido modelo de conciencia propuesto por el profesor de psiquiatría de la Facultad de Medicina de la Universidad de Wisconsin (EE. UU.) Giulio Tononi. La IIT sostiene que un cerebro consciente tiene un alto nivel de integración (sus diversas partes se influyen entre sí) junto con un alto nivel de diferenciación (las partes producen diversas señales).

Massimini intentaba encontrar un indicador para esta complejidad que se pudiera calcular en el laboratorio, pero era un objetivo difícil de alcanzar. El "golpe de suerte", como él lo recuerda, vino del físico brasileño Adenauer Casali, cuya esposa trabajaba al final del pasillo. Massimini le ofreció a Casali un espacio en su oficina, donde el físico pasaba el tiempo leyendo a Dante y a otros grandes escritores italianos. Un día los dos empezaron a hablar y Massimini mencionó su problema.

Massimini recuerda: "Estaba en mi laboratorio, sentado en una silla. Empezamos a hablar y le dije: 'Estamos haciendo esto y aquello, y tenemos este problema, por cierto, ¿tal vez puedas proponer algo?' En efecto, la solución era obvia para Casali. Todo lo que Massimini tenía que hacer era tomar los registros de TMS-EEG y comprimir los datos usando el mismo algoritmo que utiliza un ordenador para comprimir archivos al formato ZIP. Una señal de baja complejidad terminaría siendo pequeña porque contendría muy pocos datos únicos. Una señal de alta complejidad que indica una mente consciente sería más grande. Casali fue reconocido como primer autor sobre el papel que presentó la cuantificación del PCI, y el procedimiento en sí sigue conocido como zap-ZIP.

Los que dudan

Es difícil perseguir algo como el PCI cuando los expertos aún no pueden ponerse de acuerdo sobre qué es y qué no es la conciencia. Tononi, que a veces suena bastante místico, me explicó la naturaleza de la conciencia con un ejemplo de la vida cotidiana: "Está usted en la cama durmiendo, profundamente, se despierta y de repente hay algo en lugar de nada. Ese algo es la conciencia, tener una experiencia".

Durante la mayor parte de la historia, detectar ese algo no fue tan difícil. Si se le hacía una pregunta a alguien y se recibía una respuesta razonable, esa persona probablemente estaba consciente. "Ese sigue siendo el estándar de oro", afirma Massimini.

"[Massimini] ha demostrado empíricamente que cuando las redes cerebrales se apagan por la anestesia o el sueño o una lesión cerebral, aparecen patrones de complejidad que son diferentes de los que se observan cuando alguien está despierto", Marrón Emery.

Pero el uso cada vez mayor de la ventilación mecánica en las décadas de 1950 y 1960 ayudó a crear un importante grupo de personas con trastornos de la conciencia a largo plazo. Hoy en día hay quienes pueden mantenerse con vida a pesar de que no tenemos ninguna evidencia de que haya alguien allí dentro. Y hay otros, como el hombre de pelo canoso en Gnocchi, que muestran posibles indicios de conciencia, como los ojos que siguen el movimiento, pero no tienen una forma de comportamiento para comunicarse o comprobar su existencia interna. Más allá de eso hay todo un espectro de estados difíciles de distinguir. El algo de Tononi es una condición que todos podemos identificar de inmediato en nosotros mismos, pero que es difícil de reconocer en otras personas a menos que nos lo digan.

Eso hace que cualquier medida de la conciencia resulte controvertida, y especialmente una cuya base teórica es la IIT. Aunque algunos científicos han calificado la IIT como la mejor teoría de la conciencia presentada hasta la fecha, no todos están a favor. Cuando le escribí al neurocientífico de la Universidad de Princeton (EE. UU.) Michael Graziano, preguntando por su opinión sobre la IIT y el PCI, su respuesta fue inequívoca. "La IIT es pseudociencia", escribió.

Pero, continuó, incluso la frenología (la idea, actualmente establecida como disparate, de que la forma de la cabeza de las personas puede indicar su personalidad) ayudó a impulsar la ciencia en el siglo XIX hacia la idea de que las diferentes partes del cerebro tenían distintas funciones, y que la corteza cerebral merecía cierta atención. "Ese cambio de perspectiva condujo a la mayoría de los principales descubrimientos en la ciencia del cerebro durante un siglo", reconoció Graziano, por lo que el PCI todavía podría valer algo.

El neurocientífico, anestesiólogo y director del Programa de Ciencias de la Salud y Tecnología de Harvard-MIT (EE. UU.), Emery Brown, no quiere opinar a la espera de más pruebas. Le preocupa la posibilidad de dejar que la "teoría impulse el análisis". Sin embargo, admira a Massimini por experimentar, analizar cuidadosamente los datos y publicar los resultados para que todos los vean.

Brown me dijo: "Lo que me gusta de eso, cuando escucho a Marcello hablar, es que está siendo un empirista total. Ha demostrado empíricamente que, cuando las redes cerebrales se apagan por la anestesia o por el sueño o por una lesión cerebral, aparecen patrones de complejidad diferentes de los que se observan cuando alguien está despierto". Y ese empirismo constituye un caso convincente cuando se calculan los valores del PCI en seres humanos.

Una maravillosa consistencia

El poder del enfoque de Massimini quizás esté mejor representado en un gráfico maravillosamente consistente de años de pruebas de esta tecnología.

En el gráfico, los valores del PCI calculados en las personas que se sabía que han estado conscientes o no, se registran como puntos separados por una línea discontinua en el umbral de 0,31. En todos y cada uno de los casos, las puntuaciones máximas del PCI registradas en el sueño profundo o bajo la influencia de uno de los tres fármacos anestésicos diferentes están por debajo de esa línea. Y para las mismas personas, cada una de las puntuaciones máximas mientras estaban despiertas, experimentando el sueño REM o bajo la influencia de la ketamina (que en dosis anestésicas induce un estado onírico) estaba por encima de esa línea.

Lo mismo pasa con casi todas las puntuaciones máximas en los pacientes con síndrome de enclaustramiento y que habían experimentado accidentes cerebrovasculares, quienes en el momento del estudio pudieron demostrar su conciencia comunicándose. En particular, 36 de 38 pacientes en un estado de conciencia mínima mostraron una alta complejidad, lo que demuestra la sensibilidad sin precedentes del PCI como un marcador objetivo de la conciencia.

actividad cerebral

Foto: Registros en directo de TMS-EEG del cerebro del sujeto de control durante el experimento. Créditos: Juskaliano Ruso.

Pero nueve de 43 pacientes previamente considerados totalmente inconscientes también puntuaron por encima de la línea. Esto plantea cuestiones difíciles. Sin otra forma de demostrar su conciencia y sin manera de comunicarse, esos pacientes representan el fallo del PCI o su horrible promesa. Sus respuestas zap-ZIP fueron similares en calidad a las de las personas con una conciencia mínima, así como a las de las personas conscientes cuando estaban despiertas, soñando o con una dosis de ketamina. Y, de hecho, medio año después de la prueba, seis de estos pacientes mejoraron hasta el punto de que fueron clasificados como mínimamente conscientes. Al parecer, al final había alguien allí dentro.

En los últimos años, los investigadores del grupo de Massimini han tenido la oportunidad de estimular neuronas y registrar la actividad cerebral mediante electrodos insertados temporalmente en el cerebro de los pacientes que se habían sometido a cirugía para tratar la epilepsia. Estas mediciones revelaron un mecanismo interesante por el cual el PCI puede colapsar después de una lesión cerebral, lo que lleva a la pérdida de la conciencia. Los circuitos neuronales que se salvan físicamente de la lesión pueden entrar en un modo similar al del sueño, dejando a todo el cerebro incapaz de generar patrones complejos de interacciones.

"Esa intrusión de la actividad neuronal similar al sueño puede ser sólo temporal en algunos pacientes, que con el tiempo recuperarán la conciencia, pero puede persistir en otros que permanecen bloqueados en un estado de baja complejidad, correspondiente a un estado vegetativo prolongado", asegura Massimini. Y eso, en su opinión, podría proporcionar un fundamento para desarrollar tratamientos novedosos para reactivar los circuitos cerebrales y reactivar la conciencia.

El PCI podría adaptarse a otras maneras de alterar el cerebro, como el ultrasonido focalizado y la luz láser dirigida. La tecnología también se podría mejorar con una mayor resolución espacio-temporal, o incluso con escaneo automatizado y cálculos computacionales de dónde se maximiza la complejidad en un cerebro dañado.

Massimini tiene claro que, en su forma actual, el PCI no puede decir mucho sobre la calidad o el grado de la conciencia, solo si existe o no. Y ve el umbral de 0,31 como una medida clínica de una condición borrosa; no es que en 0,30 no haya nada en absoluto y en 0,32 la conciencia aparezca en forma completa. Alguien puede tener una puntuación alta del PCI, según Massimini, "y ni siquiera importa si está soñando o está despierto". Evidentemente algo falta ahí.

Abrir paso

Pero la neurofisióloga clínica que estuvo en el laboratorio de Massimini durante su formación y actualmente supervisa el ala de 13 camas en Gnocchi dedicada a los trastornos de la conciencia, Angela Comanducci, ya ha observado de primera mano el poder clínico del PCI. En junio de 2020, una mujer de 21 años fue llevada a su ala dos meses después de sufrir una lesión cerebral traumática por haber sido golpeada. "Todas las pruebas de diagnóstico clínico, experimentales y reconocidas, no mostraron signos de la conciencia", me explicó Comanducci. La situación era tan terrible que habían dicho a su familia que esperara que la mujer permaneciera en un estado vegetativo irreversible.

Pero, cuando Comanducci y su equipo conectaron a la mujer al voluminoso aparato TMS-EEG para medir su PCI, les sorprendió lo que vieron. "En cuestión de segundos, pude ver en la pantalla que la mujer estaba allí dentro", aseguró Comanducci. El PCI que calcularon más tarde ese día fue alto, lo que reflejaba una respuesta de EEG de alta complejidad a la estimulación con TMS, y compatible con un estado de conciencia mínima.

Durante las siguientes semanas, movieron manualmente los dedos, los brazos y las piernas de la paciente, tratando de reiniciar su cerebro de la misma forma en la que se arranca un viejo avión haciendo girar su hélice. Le hablaban como si les estuviera escuchando, intentando provocar una respuesta, un suspiro, tal vez, o el más mínimo movimiento vertical de sus ojos. Y le administraron amantadina, con la esperanza de despertar partes del cerebro que sospechaban que podrían no estar dañadas, pero en un estado parecido a un sueño protector.

Comanducci recuerda: "Le dije a mi equipo de rehabilitación: 'Ahora debéis ser detectives. ¡Buscad por todas partes para encontrarla!'". Aproximadamente un mes después, la encontraron.

Con un movimiento milimétrico de un solo dedo, la mujer abrió una frágil puerta de comunicación con el mundo exterior. Con la práctica, aprendió a mover más dedos, creando un sistema con el que podía responder a algunas preguntas sencillas.

Russ Juskalian es un escritor y fotógrafo independiente cuyo trabajo ha aparecido en 'Discover', 'Smithsonian' y 'The New York Times'.

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