Aufnahme elektromagnetische Aktivität des Gehirns während der Verabreichung von Lachgas bei gesunden Probanden und gasförmiger Anästhetika Xenon

Summary

Gleichzeitige Magnetoenzephalographie und Elektroenzephalographie bietet ein nützliches Werkzeug, um gemeinsame und eindeutige Makroebene Mechanismen der Kürzungen im Bewusstsein induziert durch verschiedene Anästhetika gesucht. Dieses Papier zeigt die empirische Methoden zugrunde liegen die Aufzeichnung dieser Daten aus gesunden Menschen während der N-Methyl-D-Aspartate-(NMDA)-receptor-antagonist-based Anästhesie während der Inhalation von Lachgas und Xenon.

Abstract

Anästhesie bietet wohl eine der nur systematischen Möglichkeiten, um die neuronalen Korrelate des globalen Bewusstsein/Bewusstlosigkeit zu studieren. Aber bis heute die meisten Neuroimaging oder neurophysiologische Untersuchungen beim Menschen zum Studium der γ-Amino-Butyric-Acid-(GABA)-receptor-agonist-based Anästhetika, während die Effekte der dissoziativen N-Methyl-D-Aspartate-(NMDA) – beschränkt Rezeptor-Antagonist-basierte Narkosemittel Ketamin, Lachgas (N₂O) und Xenon (Xe) sind weitgehend unbekannt. Dieses Papier beschreibt die Methoden, die die gleichzeitige Aufzeichnung von Magnetoenzephalographie (MEG) und Elektroenzephalographie (EEG) von gesunden Männern beim Einatmen gasförmiger Anästhetika N₂O und Xe zugrunde liegen. Kombination von MEG und EEG-Daten ermöglicht die Bewertung der elektromagnetischen Hirnaktivität während der Narkose bei hoher zeitlicher und moderate, Ortsauflösung. Hier beschreiben wir ein detailliertes Protokoll, über mehrere Aufnahme-Sessions, verfeinert, das Thema Rekrutierung, Anästhesie-Geräte-Setup im MEG Scanner Zimmer, Datenerfassung und Analyse der grundlegenden Daten enthält. In diesem Protokoll ist jeder Teilnehmer unterschiedlicher Xe und N₂O in einem Messwiederholungen Cross-over-Design ausgesetzt. Nach relevanten Baseline Aufnahmen Teilnehmer ausgesetzt sind, schrittweise Erhöhung inspiriert Konzentrationen von Xe und N₂O 8, 16, 24 und 42 % und 16, 32 und 47 % bzw. bei denen ihr Maß an Reaktionsfähigkeit verfolgt wird mit einer auditiven kontinuierliche Leistung Aufgabe (aCPT). Die Ergebnisse werden für eine Reihe von Aufnahmen auf der Sensorebene Eigenschaften die Rohdaten, die spektrale Topographie, die Minimierung von Kopfbewegungen und die eindeutigen Level abhängigen Auswirkungen auf die auditiven evozierten Antworten zu markieren. Dieses Paradigma beschreibt einen allgemeinen Ansatz zur Aufzeichnung der elektromagnetische Signale, verbunden mit der Aktion verschiedener gasförmiger Anästhetika, die leicht angepasst werden können, mit flüchtigen und intravenöse Anästhetika verwendet werden. Es wird erwartet, dass die beschriebene Methode zum Verständnis der Makroebene Mechanismen der Anästhesie beitragen kann, durch die Aktivierung der methodischer Erweiterungen mit Quelle Raum Bildgebung und funktionelle Netzwerkanalyse.

Introduction

Es gibt guten Konsens zwischen vorklinische und klinische neurowissenschaftliche Anhaltspunkte dafür, dass das Phänomen des menschlichen Bewusstseins hängt von der Integrität der expliziten neuronale Schaltkreise. Die Beobachtung, dass solche Schaltungen systematisch durch den Abstieg in die Bewusstlosigkeit beeinflusst werden begründet die Notwendigkeit für bildgebende Verfahren genutzt werden, während der Narkose und aktivieren “Navigation” die Suche nach den neuronalen Korrelate des Bewusstsein. Mit der möglichen Ausnahme des Schlafes Anästhesie stellt die einzige Methode, mit der kann man in einer kontrollierten, reversibel und reproduzierbare Weise, belästigen und somit zu sezieren, die Mechanismen, die Sub-Bewusstsein, vor allem im makroskopischen Maßstab dienen globales Gehirn Dynamik. Klinisch, allgemeine Anästhesie kann definiert werden als ein Zustand der Hypnose/Bewusstlosigkeit, Unbeweglichkeit und Analgesie und bleibt eine der am meisten reichlich verwendet und sichersten Eingriffe. Trotz der Klarheit und Effizienz in das Endergebnis bleibt große Unsicherheit über die Wirkmechanismen der verschiedenen Typen von Agenten zu Narkose induzierte Bewusstlosigkeit¹.

Anästhetika können intravenöse Agenten unterteilt werden insbesondere Propofol und Barbiturate oder flüchtige/gasförmigen Mitteln wie Sevofluran, Isofluran, Lachgas (N₂O) und Xenon (Xe). Die Pharmakologie der Narkose wurde mit mehrere zellulare Ziele identifiziert als Narkose Aktion mit gut etabliert. Die meisten Mittel studierte bis Datum Akt hauptsächlich über die Agonismus der γ-Amino-Butyric-Acid-(GABA)-Rezeptor vermittelt-Aktivität. Im Gegensatz dazu die dissoziative Agenten Ketamin, werden Xe und N₂O geglaubt, um ihre Wirkung ausüben, indem Sie in erster Linie auf N-Methyl-D-Aspartate-(NMDA) glutamatergen Rezeptoren^2,3. Andere wichtige pharmakologische Ziele umfassen Kaliumkanäle, Acetylcholin-Rezeptoren und der Rest Glutamat-Rezeptoren, AMPA und Kainate, aber der Umfang ihres Beitrags zur Narkose Aktion schwer (für eine umfassende Überprüfung siehe bleibt ( ⁴).

Das Ausmaß der Variabilität in der Wirkmechanismus und die beobachteten physiologischen und neuronalen Effekte der verschiedenen Arten von Agenten rendert die Ableitung der allgemeinen Schlussfolgerungen über ihren Einfluss auf die bewusste Verarbeitung schwierig. Verlust des Bewußtseins (LOC) induziert durch GABAerge Agenten zeichnet sich in der Regel durch eine globale Änderung in der Aktivität des Gehirns. Dies ist offensichtlich bei der Entstehung von hoher Amplitude, Niederfrequenz-Delta (δ, 0,5-4 Hz) Wellen und der Rückgang der Hochfrequenz, Gamma (γ, 35-45Hz) Aktivität im Elektroenzephalogramm (EEG), ähnlich wie bei langsamen Welle schlafen^5,6 sowie die weit verbreitete Reduzierung cerebral Blood Flow und Glukose Stoffwechsel^{5,6,7,8,9,10,11,12} . Boveroux Et Al. ¹³ hinzugefügt, um solche Beobachtungen zeigen eine signifikante Abnahme im ruhenden Zustand funktionelle Verknüpfung unter Propofol Anästhesie mit der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT). Dissoziativen Anästhetika ergeben dagegen eine weniger klare Profil der Auswirkungen auf die Aktivität des Gehirns. In einigen Fällen sind sie verbunden mit einem Anstieg der zerebralen Blut fließen und Glukose Stoffwechsel^{14,15,16,17,18,19, 20,21} während der Studien von Rex und Kollegen²² und Laitio und Kollegen^23,24 Blick auf die Auswirkungen der Xe zur Verfügung gestellt, Belege für beide erhöht und verringert Gehirn Aktivität. Eine ähnliche Unregelmäßigkeit entnehmen bitte die Auswirkungen der EEG-Signale^25,26,27,28. Johnson Et al.. ²⁹ zeigten einen Anstieg der Gesamtleistung der Niederfrequenz Bands Delta und Theta ebenso wie in der höheren Frequenz Band Gamma in einer hohen Dichte EEG-Studie des Xe Anästhesie während gegnerische Beobachtungen, für N₂O im Delta gemacht wurden, Theta und Alpha Frequenz Bänder^30,31 und für Xe in die höheren Frequenzen³². Diese Variabilität in die Auswirkungen der Xe auf der Kopfhaut elektrische Aktivität beobachtet werden, in der Alpha und Beta-Frequenzbereiche mit beiden erhöht auch³³ und Reduzierungen³⁴ gemeldet wird.

Trotz der oben genannten Abweichungen beginnt das Bild werden konsistentere über Agenten, wenn man versucht, die funktionelle Verknüpfung zwischen den Hirnarealen Veränderungen betrachten. Solche Maßnahmen wurden jedoch überwiegend auf Modalitäten beschränkt, die zwangsläufig Zugeständnisse in Bezug auf räumliche oder zeitliche Auflösung zu machen. Während Studien mit dem EEG erscheinen klar und in gewissem Maße konsistent, Veränderungen in der topologischen Struktur funktionale Netzwerke während der Narkose/Sedierung mit Propofol³⁵, Sevofluran³⁶ und N₂O³⁷, zeigen die weit auseinander liegende Ebene EEG Sensordaten hat unzureichende räumlichen Auflösung sinnvoll definieren und die Scheitelpunkte des entsprechenden funktionellen Netzwerken abzugrenzen. Im Gegensatz dazu finden Studien nutzen die hervorragende räumliche Auflösung der fMRI und Positronen-Emissions-Tomographie (PET), ähnliche topologische Änderungen in groß angelegte funktionelle Verknüpfung der EEG^{13,38,39 ,40,41}, besitzen jedoch nicht genügend zeitlichen Auflösung zu charakterisieren Phase-Amplitude Kupplung in der alpha (8-13 Hz) EEG-Band und anderen dynamischen Phänomene, die als wichtige Unterschriften von entstehen Narkose Aktion^12,42. Darüber hinaus bewerten diese Maßnahmen nicht direkt elektromagnetische neuronale Aktivität⁴³.

Daher, um das Verständnis für die makroskopische Prozesse rund um die Wirkung der Anästhesie sinnvoll zu fördern, die Grenzen der zuvor erwähnten Untersuchungen angegangen werden müssen; die eingeschränkte Abdeckung von Anästhetika und die ungenügende räumlich-zeitliche Auflösung der nicht-invasiven Messungen. Darauf aufbauend erläutern die Autoren eine Methode, um gleichzeitig aufzeichnen Magnetoencephalogram (MEG) und EEG-Aktivität bei gesunden Probanden, die entwickelt wurde für die Verwaltung von gasförmigen dissoziativen Anästhetika, Xe und N₂O.

Die MEG wird genutzt, da es nur nicht-invasiven neurophysiologischen Technik als das EEG ist, dass eine zeitliche Auflösung im Millisekundenbereich. EEG hat das Problem der Unschärfe der elektrischen Felder durch den Schädel, die wirkt wie ein Tiefpass-Filter auf cortically generierten Aktivität während MEG viel weniger anfällig für dieses Problem und die Frage der Band Wärmeleitung^{44 ist}. Es kann argumentiert werden, dass MEG höher hat räumliche und Quell-Lokalisierung Genauigkeit als EEG ^45,46. EEG erlaubt keine echte Referenz-freie Aufnahme^37,47, aber MEG ist. MEG Systeme zeichnen in der Regel auch kortikale Aktivität in einem breiteren Frequenzbereich als EEG, einschließlich hohe Gamma⁴⁸(in der Regel 70-90 Hz), die sind vorgeschlagen worden, in den hypnotischen Effekten von Anästhetika einschließlich Xe²⁹ und N einbezogen werden ₂ O²⁸. Die MEG bietet neurophysiologische Aktivität, die Komplimente, vermittelt durch EEG, als EEG-Aktivität auf extrazellulären elektrischen Strömen bezieht, während MEG vor allem die Magnetfelder von intrazellulären Strömungen^46, spiegelt ⁴⁹. Darüber hinaus MEG reagiert besonders empfindlich auf elektrophysiologische Aktivität tangential zu den Kortex, während EEG meist radial zum Kortex⁴⁹extrazelluläre Aktivität erfasst. MEG und EEG Daten so zu kombinieren, hat super-Additiv Vorteile⁵⁰.

Die gasförmigen dissoziative Mitteln Xe und N₂O wurden folgenden Grundsatz Gründen ausgewählt: sie sind geruchlos (Xe) oder im wesentlichen geruchlos (N₂O) und kann somit leicht genutzt werden, im Beisein von Kontrolle Bedingungen beschäftigt subklinische Konzentrationen. Darüber hinaus eignen sie sich gut für remote-Administration und Überwachung in einer Laborumgebung aufgrund ihrer schwachen kardiorespiratorischer dämpfenden Effekte⁶¹. Xenon und zu einem geringeren Ausmaß N₂O, behalten eine relativ niedrige Minimum-Alveolar – Konzentration-(MAC)-wach, bei denen 50 % der Patienten zu einer mündlichen Befehl mit Werten von 32,6 ± 6,1 %⁵¹ und 63,3 + – 7,1 %⁵² bzw. reagiert. Trotz Xe und N₂O sowohl als NMDA-Rezeptor-Antagonisten, sie modulieren das EEG anders – Xe erscheint eher wie eine typische GABAergen Agent wenn überwacht mit Hilfe der Bispectral Index^{33,53,54 Verhalten} (einer der mehrere Ansätze zur Tiefe der Narkose elektroenzephalographisch Überwachung). Im Gegensatz dazu wirkt N₂O eine viel weniger offensichtlich EEG ist es schlecht, wenn überhaupt, mit Bispectral Index²⁶überwacht. Da Xe verschiedene gemeldeten EEG Eigenschaften wie die anderen dissoziativen Agenten hat, sondern ähnliche Eigenschaften wie die häufiger studierten GABAergen-Agenten besitzt, hat die elektrophysiologische Untersuchung das Potenzial, wichtige offenbaren Funktionen in Bezug auf die neuronalen Korrelate des Bewusstseins und die entsprechenden funktionalen Netzwerkänderungen. Agents, die auf den NMDA-Rezeptor handeln werden voraussichtlich mehr verraten über die Gehirnnetzwerke, die normal und veränderten Bewusstseins, dienstbar angesichts der kritischen Rolle, die NMDA-Rezeptor vermittelt Aktivität spielt in lernen und Gedächtnis und ihre betroffenen Rolle in einer Reihe von psychiatrische Erkrankungen, die Schizophrenie und Depression⁸⁰enthalten.

Dieses Dokument konzentriert sich hauptsächlich auf die anspruchsvolle und komplexe Datenübernahmeverfahren Zusammenhang mit der Lieferung von gasförmiger Anästhetika in einem Krankenhaus während der Aufnahme gleichzeitig MEG und EEG. Grundlegende Datenanalyse an der Sensor-Ebene skizziert und Beispieldaten dienen zur Veranschaulichung, dass HiFi-Aufnahmen mit minimalen Kopfbewegung erzielt werden können. Viele potenzielle Methoden zur anschließenden Bildbearbeitung und/oder funktionelle Konnektivität Quellenanalyse, die in der Regel ausgeführt werden würde, mit dieser Art von Daten werden nicht beschrieben, wie diese Methoden auch in der Literatur beschrieben sind und verschiedene Möglichkeiten zeigen, Analyse^55,56.

Protocol

Die Studie mit dem Titel “Auswirkungen von Einatmen Xe und N2O auf die Gehirnaktivität aufgezeichnet mit EEG und MEG” wurde zugelassen (Zulassungsnummer: 260/12) von Alfred Hospital und Ethikkommission der Swinburne University of Technology und erfüllt die Anforderungen der nationalen Erklärung zur Ethik in der Forschung am Menschen (2007). 1. die Teilnehmerauswahl und Vorstudie Anforderungen Führen Sie ein Interview wählen Sie gesunde, Rechtshänder, Erwachsene Männ…

Representative Results

In diesem Abschnitt nutzt Daten aus einem Thema um die typischen Merkmale der gleichzeitige Aufnahmen zu demonstrieren und das Potenzial solcher Informationen, ein besseres Verständnis der Betäubungsmittel induzierte beizutragen veränderte Bewusstseinszustände. Um die Exposition zu vereinfachen, Ergebnisse werden angezeigt für i) Aufnahmen von den post-anti-Brechmittel Verwaltung Basisplan (Baseline 3), (Ii) 0,75 Equi-MAC-wach Gaskonzentrationen (Ebene 3) von N2O (47 %) un…

Discussion

Dieses Papier hat ein umfassendes Protokoll für die gleichzeitige Aufnahme von MEG und EEG während der Narkose Gas-Lieferung mit N₂O und Xe umrissen. Ein solches Protokoll wird für die Untersuchung der elektromagnetischen neuronale Korrelate des Betäubungsmittel-induzierte Reduktionen im Bewusstsein wertvoll sein. Das Protokoll soll auch auf die Lieferung von anderen anästhetische Gase wie Sevofluran oder Isofluran verallgemeinern. Dies erleichtert ein größeres Verständnis für die gemeinsamen, spezifi…

Materials

Neuromag TRIUX 306-channel MEG system	Elekta Oy, Stockholm, SWEDEN	N/A
Polhemus Fastrak 3D system	Polhemus, VT, USA	N/A
MEG compatible ER-1 insert headphones	Etymotic Research Inc., IL, USA	N/A
Low Density foam head cap, MEG compatible	N/A	N/A	Custom made by research team
Harness, MEG compatible	N/A		~3 m long, ~ 5 cm wide, cloth/jute strip to secure participant position on MEG chair
Ambu Neuroline 720 Single Patient Surface Electrodes	Ambu, Copenhagen, Denmark	72015-K10
3.0T TIM Trio MRI system	Siemens AB, Erlangen, GERMANY	N/A
Asalab amplifier system	ANT Neuro, Enschede, NETHERLANDS	N/A	this system is no longer manufactured and has been deprecated to 64 channel eego EEG amplifier
64-channel Waveguard EEG cap, MEG compatible	ANT Neuro, Enschede, NETHERLANDS	CA-138	size Medium
Magnetically shielded cordless battery box	ANT Neuro, Enschede, NETHERLANDS	N/A	Magnetic shielding not provided by manufacturer – Modified by research team
OneStep ClearGel Electrode gel	H+H Medizinprodukte GbR, Munster, GERMANY	154547
Akzent Xe Color Anesthesia Machine	Stephan GmbH, Gackenbach, GERMANY	N/A
Omron M6-Comfort Blood Pressure Monitor	Omron Healthcare, Kyoto, JAPAN	N/A
Xenon gas (99.999% purity)	Coregas, Thomastown, VIC, AUSTRALIA	N/A	we estimate that we use approx 40 L (SATP) per participant
Medical Nitrous Oxide	Coregas, Thomastown, VIC, AUSTRALIA	N/A	x2 G size cylinders
Medical Oxygen	Coregas, Thomastown, VIC, AUSTRALIA	N/A	x2 G size cylinders
Medical Air	Coregas, Thomastown, VIC, AUSTRALIA	N/A	x2 G size cylinders
Filter Respiratory & HMES with Capno Port Hypnobag	Medtronic, MN, USA	352/5805
Yankauer High Adult	Medtronic, MN, USA	8888-502005
Quadralite EcoMask anaesthetic masks	Intersurgical Australia Pty Ltd	7093000/7094000	size 3 and size 4
Suction Canister Disp 1200 mL Medival Guardian	Cardinal Health, OH, USA	65651-212
Catheter Mount Ext 4-13 cm with  90A elbow	Medtronic, MN, USA	330/5667
Catheter IV Optiva 24g x 19 mm Yellow St Su	Smiths Medical, MN, USA	5063-INT
Dexamethasone Mylan Injection Vials (4 mg/1 mL)	Alphapharm Pty Ltd, Sydney, AUSTRALIA	400528517
Ondasetron (4 mg/2 mL)	Alphapharm Pty Ltd, Sydney, AUSTRALIA	400008857
Medical resuscitation cart			The medical resuscitation cart is configured according to the suggested minimal requirements for Adult resuscitation recommended in the document "Standards for Resuscitation: Clinical Practice and Education; June 2014) by the Australian and New Zealand Resuscitation councils and specifically endorsed by multiple professional health care organizations including the Australian and New Zealand College of Anaesthetists.  It includes all the necessary airway and circulatory equipment, as well as the associated pharmacuetical agents to enable full cardio-respiratory resuscitation and support in a non-clinical environment.  Full details can be found at https://resus.org.au/standards-for-resuscitation-clinical-practice-and-education/
Maxfilter Version 2.2	Elekta Oy, Stockholm, SWEDEN	N/A	Data analysis software provided with Elekta's Neuromag TRIUX MEG system