A theory-derived index of consciousness, which quantifies the complexity of the brain’s response to a stimulus, measures the level of consciousness in awake, sleeping, anesthetized, and brain-damaged subjects.

The frequency tuning of a system can be directly determined by perturbing it and by observing the rate of the ensuing oscillations, the so called natural frequency. This approach is used, for example, in physics, in geology, and also when one tunes a musical instrument. In the present study, we employ transcranial magnetic stimulation (TMS) to directly perturb a set of selected corticothalamic modules (Brodmann areas 19, 7, and 6) and high-density electroencephalogram to measure their natural frequency. TMS consistently evoked dominant α-band oscillations (8–12 Hz) in the occipital cortex, β-band oscillations (13–20 Hz) in the parietal cortex, and fast β/γ-band oscillations (21–50 Hz) in the frontal cortex. Each cortical area tended to preserve its own natural frequency also when indirectly engaged by TMS through brain connections and when stimulated at different intensities, indicating that the observed oscillations reflect local physiological mechanisms. These findings were reproducible across individuals and represent the first direct characterization of the coarse electrophysiological properties of three associative areas of the human cerebral cortex. Most importantly, they indicate that, in healthy subjects, each corticothalamic module is normally tuned to oscillate at a characteristic rate. The natural frequency can be directly measured in virtually any area of the cerebral cortex and may represent a straightforward and flexible way to probe the state of human thalamocortical circuits at the patient9s bedside.

By employing transcranial magnetic stimulation (TMS) in combination with high-density electroencephalography (EEG), we recently reported that cortical effective connectivity is disrupted during early non-rapid eye movement (NREM) sleep. This is a time when subjects, if awakened, may report little or no conscious content. We hypothesized that a similar breakdown of cortical effective connectivity may underlie loss of consciousness (LOC) induced by pharmacologic agents. Here, we tested this hypothesis by comparing EEG responses to TMS during wakefulness and LOC induced by the benzodiazepine midazolam. Unlike spontaneous sleep states, a subject’s level of vigilance can be monitored repeatedly during pharmacological LOC. We found that, unlike during wakefulness, wherein TMS triggered responses in multiple cortical areas lasting for >300 ms, during midazolam-induced LOC, TMS-evoked activity was local and of shorter duration. Furthermore, a measure of the propagation of evoked cortical currents (significant current scattering, SCS) could reliably discriminate between consciousness and LOC. These results resemble those observed in early NREM sleep and suggest that a breakdown of cortical effective connectivity may be a common feature of conditions characterized by LOC. Moreover, these results suggest that it might be possible to use TMS-EEG to assess consciousness during anesthesia and in pathological conditions, such as coma, vegetative state, and minimally conscious state.

Patients surviving severe brain injury may regain consciousness without recovering their ability to understand, move and communicate. Recently, electrophysiological and neuroimaging approaches, employing simple sensory stimulations or verbal commands, have proven useful in detecting higher order processing and, in some cases, in establishing some degree of communication in brain-injured subjects with severe impairment of motor function. To complement these approaches, it would be useful to develop methods to detect recovery of consciousness in ways that do not depend on the integrity of sensory pathways or on the subject's ability to comprehend or carry out instructions. As suggested by theoretical and experimental work, a key requirement for consciousness is that multiple, specialized cortical areas can engage in rapid causal interactions (effective connectivity). Here, we employ transcranial magnetic stimulation together with high-density electroencephalography to evaluate effective connectivity at the bedside of severely brain injured, non-communicating subjects. In patients in a vegetative state, who were open-eyed, behaviourally awake but unresponsive, transcranial magnetic stimulation triggered a simple, local response indicating a breakdown of effective connectivity, similar to the one previously observed in unconscious sleeping or anaesthetized subjects. In contrast, in minimally conscious patients, who showed fluctuating signs of non-reflexive behaviour, transcranial magnetic stimulation invariably triggered complex activations that sequentially involved distant cortical areas ipsi- and contralateral to the site of stimulation, similar to activations we recorded in locked-in, conscious patients. Longitudinal measurements performed in patients who gradually recovered consciousness revealed that this clear-cut change in effective connectivity could occur at an early stage, before reliable communication was established with the subject and before the spontaneous electroencephalogram showed significant modifications. Measurements of effective connectivity by means of transcranial magnetic stimulation combined with electroencephalography can be performed at the bedside while by-passing subcortical afferent and efferent pathways, and without requiring active participation of subjects or language comprehension; hence, they offer an effective way to detect and track recovery of consciousness in brain-injured patients who are unable to exchange information with the external environment.

Objective Validating objective, brain‐based indices of consciousness in behaviorally unresponsive patients represents a challenge due to the impossibility of obtaining independent evidence through subjective reports. Here we address this problem by first validating a promising metric of consciousness—the Perturbational Complexity Index (PCI)—in a benchmark population who could confirm the presence or absence of consciousness through subjective reports, and then applying the same index to patients with disorders of consciousness (DOCs). Methods The benchmark population encompassed 150 healthy controls and communicative brain‐injured subjects in various states of conscious wakefulness, disconnected consciousness, and unconsciousness. Receiver operating characteristic curve analysis was performed to define an optimal cutoff for discriminating between the conscious and unconscious conditions. This cutoff was then applied to a cohort of noncommunicative DOC patients (38 in a minimally conscious state [MCS] and 43 in a vegetative state [VS]). Results We found an empirical cutoff that discriminated with 100% sensitivity and specificity between the conscious and the unconscious conditions in the benchmark population. This cutoff resulted in a sensitivity of 94.7% in detecting MCS and allowed the identification of a number of unresponsive VS patients (9 of 43) with high values of PCI, overlapping with the distribution of the benchmark conscious condition. Interpretation Given its high sensitivity and specificity in the benchmark and MCS population, PCI offers a reliable, independently validated stratification of unresponsive patients that has important physiopathological and therapeutic implications. In particular, the high‐PCI subgroup of VS patients may retain a capacity for consciousness that is not expressed in behavior. Ann Neurol 2016;80:718–729

A common endpoint of general anesthetics is behavioral unresponsiveness [1Sanders R.D. Tononi G. Laureys S. Sleigh J.W. Unresponsiveness ≠ unconsciousness.Anesthesiology. 2012; 116: 946-959Crossref PubMed Scopus (277) Google Scholar], which is commonly associated with loss of consciousness. However, subjects can become disconnected from the environment while still having conscious experiences, as demonstrated by sleep states associated with dreaming [2Stickgold R. Malia A. Fosse R. Propper R. Hobson J.A. Brain-mind states: I. Longitudinal field study of sleep/wake factors influencing mentation report length.Sleep. 2001; 24: 171-179Crossref PubMed Scopus (107) Google Scholar]. Among anesthetics, ketamine is remarkable [3Domino E.F. Taming the ketamine tiger. 1965.Anesthesiology. 2010; 113: 678-684PubMed Google Scholar] in that it induces profound unresponsiveness, but subjects often report “ketamine dreams” upon emergence from anesthesia [4Langrehr D. Alai P. Andjelković J. Kluge I. [On anesthesia using ketamine (CI-581): Report o 1st experience in 500 cases].Anaesthesist. 1967; 16: 308-318PubMed Google Scholar, 5Collier B.B. Ketamine and the conscious mind.Anaesthesia. 1972; 27: 120-134Crossref PubMed Scopus (58) Google Scholar, 6Garfield J.M. Garfield F.B. Stone J.G. Hopkins D. Johns L.A. A comparison of psychologic responses to ketamine and thiopental--nitrous oxide--halothane anesthesia.Anesthesiology. 1972; 36: 329-338Crossref PubMed Scopus (54) Google Scholar, 7Krestow M. The effect of post-anaesthetic dreaming on patient acceptance of ketamine anaesthesia: a comparison with thiopentone-nitrous oxide anaesthesia.Can. Anaesth. Soc. J. 1974; 21: 385-389Crossref PubMed Scopus (17) Google Scholar, 8Hejja P. Galloon S. A consideration of ketamine dreams.Can. Anaesth. Soc. J. 1975; 22: 100-105Crossref PubMed Scopus (30) Google Scholar, 9Drummond J.C. Brebner J. Galloon S. Young P.S. A randomized evaluation of the reversal of ketamine by physostigmine.Can. Anaesth. Soc. J. 1979; 26: 288-295Crossref PubMed Scopus (26) Google Scholar]. Here, we aimed at assessing consciousness during anesthesia with propofol, xenon, and ketamine, independent of behavioral responsiveness. To do so, in 18 healthy volunteers, we measured the complexity of the cortical response to transcranial magnetic stimulation (TMS)—an approach that has proven helpful in assessing objectively the level of consciousness irrespective of sensory processing and motor responses [10Sarasso S. Rosanova M. Casali A.G. Casarotto S. Fecchio M. Boly M. Gosseries O. Tononi G. Laureys S. Massimini M. Quantifying cortical EEG responses to TMS in (un)consciousness.Clin. EEG Neurosci. 2014; 45: 40-49Crossref PubMed Scopus (79) Google Scholar]. In addition, upon emergence from anesthesia, we collected reports about conscious experiences during unresponsiveness. Both frontal and parietal TMS elicited a low-amplitude electroencephalographic (EEG) slow wave corresponding to a local pattern of cortical activation with low complexity during propofol anesthesia, a high-amplitude EEG slow wave corresponding to a global, stereotypical pattern of cortical activation with low complexity during xenon anesthesia, and a wakefulness-like, complex spatiotemporal activation pattern during ketamine anesthesia. Crucially, participants reported no conscious experience after emergence from propofol and xenon anesthesia, whereas after ketamine they reported long, vivid dreams unrelated to the external environment. These results are relevant because they suggest that brain complexity may be sensitive to the presence of disconnected consciousness in subjects who are considered unconscious based on behavioral responses.

Over the last years, a surge of empirical studies converged on complexity-related measures as reliable markers of consciousness across many different conditions, such as sleep, anesthesia, hallucinatory states, coma, and related disorders. Most of these measures were independently proposed by researchers endorsing disparate frameworks and employing different methods and techniques. Since this body of evidence has not been systematically reviewed and coherently organized so far, this positive trend has remained somewhat below the radar. The aim of this paper is to make this consilience of evidence in the science of consciousness explicit. We start with a systematic assessment of the growing literature on complexity-related measures and identify their common denominator, tracing it back to core theoretical principles and predictions put forward more than 20 years ago. In doing this, we highlight a consistent trajectory spanning two decades of consciousness research and provide a provisional taxonomy of the present literature. Finally, we consider all of the above as a positive ground to approach new questions and devise future experiments that may help consolidate and further develop a promising field where empirical research on consciousness appears to have, so far, naturally converged.

ABSTRACT Pain-related depression of motor cortico-spinal excitability has been explored using transcranial magnetic stimulation (TMS)-based motor evoked potentials. Recently, TMS combined with concomitant high-density electroencephalography (TMS-EEG) enabled cortical excitability (CE) assessments in non-motor areas, offering novel insights into CE changes during pain states. Here, pain-related CE changes were explored in the primary motor cortex (M1) and dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC). CE was recorded in 24 healthy participants before (Baseline), during painful heat (Acute Pain), and non-painful warm (Non-noxious warm) stimulation for eight minutes at the right forearm in a randomized sequence, followed by a pain-free stimulation measurement. Local CE was measured as peak-to-peak amplitude of the early latencies of the TMS-evoked potential (<120 ms) on each target. Furthermore, global-mean field power (GMFP) was used to measure global excitability. Relative to the Baseline, Acute Pain induced a decrease of −9.9±8.8% in the peak-to-peak amplitude in M1 and −10.2±7.4% in DFPFC, while no significant differences were found for Non-noxious warm (+0.6±8.0% in M1 and +3.4±7.2% in DLPFC; both P<0.05). A reduced GMFP of - 9.1±9.0% was only found in M1 during Acute Pain compared with Non-noxious warm (P=0.003). Participants with the largest reduction in local CE under Acute Pain showed a negative correlation between DLPFC and M1 local CE (r=-0.769; P=0.006). Acute experimental pain drove differential pain-related effects on local and global CE changes in motor and non-motor areas at a group level while also revealing different interindividual patterns of CE changes, which can be explored when designing personalized treatment plans. SUMMARY Cortical motor and prefrontal areas present reduced excitability during acute pain, but they occur in different patterns across individuals and present distinct impacts on global connectivity.

Abstract Introduction Hernia surgery has become more and more complex over the last 30 years due to new surgical approaches, new techniques and innovation of the standardized techniques. Therefore surgical teams need well trained surgeons dedicated to the abdominal wall hernias repairs. Nowadays it’s not acceptable to perform a hernia repair offering only one traditional technique. Patients need to be evaluated by an open-minded surgeon that has more than one weapon in his cartridge. Our team is a newborn team, we started our collaboration in this hospital only 9 months ago putting together different surgeons from different realities and with different know-hows. Two of the new surgeons have wide experience in laparoscopic hernia treatments. We started with a modern approach to the abdominal wall surgery either for ventral or inguinal hernias with the possibility to guarantee the patients traditional and laparoscopic approaches. Materials and Methods As concerns the inguinal hernia surgery, from the 15th of January till now we performed 100 inguinal hernia laparoscopic repairs, 55 for bilateral inguinal hernia and 45 for monolateral hernia, 64 TAPP technique, 2 with fixation of the mesh and 62 without fixation, and 36 TEP technique 9 with mesh fixation and 27 without fixation. In the TAPP population in 2 cases a laparoscopic cholecistectomy has been performed before the hernia repair. Results The median operating time was 45 minutes for monolateral hernia with TEP technique vs. 49 minutes with TAPP, 53 minutes for bilateral hernia with TEP technique vs. 67 minutes with TAPP. The intra-operative complications were 1 mild bleeding, 1 lesion of the bladder treated with direct suture and positioning of the urinary catheter. Post-operative complications were 1 seroma and 1 rectus hematoma treated laparoscopically. No hernia recurrence and only 1 case of moderate postoperative pain was detected after 6 months of follow-up. Discussion In conclusion hernia surgeons are mandatory for a modern approach to the abdominal wall hernia surgery in order to guarantee a wide spectrum of techniques for each single patient and to achieve good results with low rate of hernia recurrence and good postoperative quality of life.

Background: The Perturbational Complexity Index (PCI) was recently introduced to assess the capacity of thalamocortical circuits to engage in complex patterns of causal interactions. While showing high accuracy in detecting consciousness in brain injured patients, PCI depends on elaborate experimental setups and offline processing and has restricted applicability to other types of brain signals beyond transcranial magnetic stimulation and high-density EEG (TMS/hd-EEG) recordings. Objective: We aim to address these limitations by introducing PCIST, a fast method for estimating perturbational complexity of any given brain response signal. Methods: PCIST is based on dimensionality reduction and state transitions (ST) quantification of evoked potentials. The index was validated on a large dataset of TMS/hd-EEG recordings obtained from 108 healthy subjects and 108 brain injured patients, and tested on sparse intracranial recordings (SEEG) of 9 patients undergoing intra-cerebral single-pulse electrical stimulation (SPES). Results: When calculated on TMS/hd-EEG potentials, PCIST performed with the same accuracy as the original PCI, while improving on the previous method by being computed in less than a second and requiring a simpler set-up. In SPES/SEEG signals, the index was able to quantify a systematic reduction of intracerebral complexity during sleep, confirming the occurrence of state-dependent changes in the effective connectivity of thalamocortical circuits, as originally assessed through TMS/hd-EEG. Conclusions: PCIST represents a fundamental advancement towards the implementation of a reliable and fast clinical tool for the bedside assessment of consciousness as well as a general measure to explore the neuronal mechanisms of loss/recovery of brain complexity across scales and models.