Een informatietheoretische aanpak van bewustzijn verliezen

Bewusteloosheid is raar en eigenlijk ook beetje beangstigend. Plotseling zijn we gewoon weg, een paar uur achter elkaar, en kunnen we alleen vertrouwen dat we een retourtje wakker worden hebben. We dromen kort, maar voor het overgrote deel is slaap een proces waarbij het brein besloten heeft om jou buiten te sluiten bij wat het lichaam uitspookt. Het is een beetje als een automatische piloot die aanstaat terwijl jij buiten de cockpit gehouden wordt.

Bewustzijn zelf blijft in veel opzichten een mysterie, wetenschappelijk gezien, en bewustzijn bepaalt deze scheiding tussen aanwezigheid en afwezigheid.

Een onderzoek dat deze week gepubliceerd werd in Physical Review Letters bekijkt de biofysica van anesthesie, en vooral hoe de hersenen het voor elkaar krijgen om bewustzijn zo abrupt aan en uit te schakelen. Voor het onderzoek maakten ze een computersimulatie van de hersenen dat neurale activiteit simuleert ten opzichte van informatie-entropie. Daaruit bleek dat er een globale verandering plaatsvindt in de hersenen, waardoor sommige signalen wel en andere signalen niet meer doorgegeven worden door neuronen.

Om dit te checken, maakten Yan Xu en zijn collega's van de University of Pittsburgh Medicine een relatief simpel model dat bestaat uit een boomachtig netwerk van knooppunten. Een input komt aan via de stronk en dan doorgegeven naar verschillende takken. Dat proces wordt door de knooppunten zelf gereguleerd, die bepalen welke signalen doorgegeven worden welke stoppen.

Xu en zijn groep konden met een netwerk van 7381 knooppunten de hersenactiviteit van hersenen onder narcose konden simuleren. Ze kwamen tot deze interpretatie dankzij een statistisch proces. De input van het netwerk, de stronk, kreeg willekeurige informatie met een bekende hoeveelheid entropie (wanorde). Vervolgens werd de entropie van de output vergeleken met de input. Hieruit bleek dat onder een bepaalde drempelwaarde er heel weinig informatie werd doorgegeven door de knooppunten.

Hun resultaten bleken overeen te komen met het verschil in EEG-activiteit van patiënten onder narcose, waardoor ze konden concluderen dat hersenen een soort faseverandering (net als bijvoorbeeld water naar ijs) doormaakten. Afhankelijk van die fase sta je dus aan of uit.

"Hoewel het brein vele ordes van grote complexer is, is het verleidelijk om te speculeren dat de transitie tussen bewustzijn en bewusteloosheid wordt gereguleerd door een enkele connectiviteitswaarde, vooral omdat klinische observaties wijzen op een scherpe transitie tussen bewuste en onbewuste toestanden die plaatsvindt bij extreem nauw luisterende concentratie van verdovingsmiddel. Deze concentratie varieert nauwelijks tussen menselijke proefpersonen of zelfs verschillende soorten met totaal verschillende hersengroottes en vermogens," concludeert het team.

Om terug te komen op de metafoor van het begin; het is dus niet dat je uit de cockpit gehouden wordt terwijl de automatische piloot aanstaat, het is dat de cockpit helemaal niet bestaat. Ik weet niet of dit model van bewusteloosheid – waarbij we een soort uitgeschakelde robot zijn – me nou meer op mijn gemak laat voelen.