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神经科学

気体の麻酔薬は、キセノンと亜酸化窒素の健康なボランティアの管理中に記録脳波電磁

Published: January 13, 2018
doi:
10.3791/56881
, , , , ,
1Centre for Human Psychopharmacology,Swinburne University of Technology, 2Department of Anaesthesia and Pain Management,St. Vincent’s Hospital Melbourne, 3Brain and Psychological Science Research Centre,Swinburne University of Technology, 4Department of Anaesthesiology,University of Auckland

Summary

同時脳磁図、脳波、異なる麻酔によって引き起こされる意識の削減のマクロ スケールの一般的かつ明確なメカニズムを検索する便利なツールを提供します。本稿は、N-Methyl-D-Aspartate-(NMDA)-receptor-antagonist-based 麻酔中にキセノンと亜酸化窒素の吸入による健康な人間からそのようなデータの記録を基になる経験的な方法を示しています。

Abstract

麻酔は恐らく間違いなくグローバル意識/無意識の神経機構を研究する唯一の組織的な方法の 1 つを提供します。しかし、解離性の N-Methyl-D-Aspartate-(NMDA) の効果中、γ-Amino-Butyric-Acid-(GABA)-receptor-agonist-based の麻酔薬の研究にまでに閉じこめられていた、ほとんどのニューロ イメージングまたは人間の神経生理学的調査受容体拮抗薬による麻酔薬ケタミン、亜酸化窒素 (N2O) とキセノン (Xe) はほとんど分かっていません。本稿では、ガス麻酔薬 N2O の Xe 吸入中に脳磁図 (MEG) と健常者の脳波 (EEG) の同時記録を基になるメソッドについて説明します。脳磁図、脳波データを組み合わせることにより、高で麻酔中に電磁的な脳活動の評価と適度な時間、空間的な解像度。ここで詳細なプロトコル、複数のレコーディング セッションで洗練されたメグ スキャナー ルーム、データ収集と基本的なデータ分析の被験者募集、麻酔機器のセットアップを含むについて述べる。このプロトコルでは、各参加者は Xe と N2O の繰り返し測定のクロス オーバー設計のさまざまなレベルに公開されます。ステップごとの増加に関連するベースラインの公開録音参加者を次に影響を与えた Xe と N2O の 8、16、24、42% と 16、32、47% の濃度, 応答性のレベルを追跡する時間、聴覚連続遂行課題 (カ国です)。生データ、スペクトルの形状、頭の動きの最小化と聴覚誘発反応の明確なレベル依存効果のセンサー レベルのプロパティを強調表示するレコーディングの数の結果が掲載されています。このパラダイムでは、揮発性および静脈麻酔薬に使用するために容易に合わせることができる気体の麻酔薬のさまざまな種類のアクションに関連付けられている電磁信号の記録への一般的なアプローチについて説明します。記載されている方法はスペース イメージング法と機能ネットワーク解析を含む方法論の拡張機能を有効にする麻酔のマクロ スケールのメカニズムの理解に貢献できると期待されます。

Introduction

前臨床・臨床の科学的証拠を人間の意識の現象が明示的な神経回路の整合性に依存していることを示唆している間良いコンセンサスがあります。このような回路が無意識のうちに体系的に降下に影響されて観測が麻酔中に利用して、’移動’ に関わる神経基盤の検索を有効にするのにニューロ イメージング技術の必要性を立証します。意識。睡眠の可能な例外を除いて、麻酔を表します、制御、リバーシブルで再現可能な方法で 1 つができる、唯一の方法、摂動、およびこうして解剖、サブの巨視的スケールで特に意識を提供するメカニズムグローバル脳ダイナミクス。臨床的に、全身麻酔は催眠/無意識、不動、鎮痛の状態として定義することができ、豊富、最も使用され、最も安全な医療介入の 1 つに残る。にもかかわらず、最終的な結果の効率の明快さと、様々 なタイプの麻酔による無意識1に上昇を与えるエージェントのアクションのメカニズムに関する大きな不確実性が残っています。

麻酔薬は、静脈内のエージェントに分けることができます特にプロポ フォールとバルビツール酸塩、またはイソフルラン、セボフルランなど揮発性/気体エージェント キセノン (Xe) と亜酸化窒素 (N2O)。麻酔の薬理学は、麻酔作用にリンクとして識別される複数の細胞内標的でも確立されています。ほとんどのエージェント γ-Amino-Butyric-Acid-(GABA) 受容体を介した活性、作動を介して主日付法について検討しました。コントラスト、解離剤ケタミン Xe と N2O は N-Methyl-D-Aspartate-(NMDA) グルタミン酸受容体2,3を主にターゲットにその効果を発揮すると考えられています。その他の重要な薬理学的目標にはしかし麻酔作用への貢献の範囲の (の包括的なレビューを参照してくださいとらえどころのないままカリウム チャネル、アセチルコリン受容体と残グルタミン酸受容体、AMPA とカイニン酸が含まれます4)。

作用機序と様々 なタイプのエージェントの観察された生理学的および神経効果の変動の程度は、困難な意識処理に与える影響についての一般的な結論の導出をレンダリングします。Gaba 作動性のエージェントによって引き起こされる意識 (LOC) の損失通常グローバル変更脳活動の特徴です。これは明らかに高振幅、低周波のデルタの出現 (δ、0.5-4 Hz) 波、高周波、低速波に類似した脳波 (EEG)、ガンマ (γ, 35-45 Hz) 活動の減少睡眠5,6と同様脳血流とグルコース代謝5,6,7,8,9,10、11,12 の広範な削減.Boverouxら。13機能磁気共鳴イメージ投射 (fMRI) を用いたプロポ フォール麻酔下州立機能的結合を安静時に有意な減少を示すことによってこのような観測に追加されます。対照的に、解離性麻酔薬収量少ない脳活動に及ぼす影響のプロファイルをオフにします。脳血流とグルコース代謝14,15,16,17,18,19の増加に関連付けられているいくつかのケースで 20,21レックスと同僚の22と Xe の影響を見て Laitio と同僚の23,24で研究しながら提供両方の証拠が増加し、脳を減少活動。脳波信号25,26,27,28に及ぼす影響と同様の不規則性を見ることができます。ジョンソンら。29低周波バンド デルタと同様高密度 Xe 麻酔反対観察 N2O デルタのために作られた中の脳波研究で高い周波数バンド ガンマのようにシータの総消費電力の増加を示したシータとアルファ周波数バンド30,31と高い周波数32xe。アルファの Xe が電気頭皮活性に及ぼす影響のような変動を観察できるし、ベータ周波数範囲も両方が報告されている33と削減量の34増加します。

上記の相違にもかかわらず、画像は脳部位間の機能的結合の変化を見てしようと 1 つのエージェントの間でより一貫性になるを開始します。ただし、措置は、空間的または時間的解像度に対して必ずしも譲歩の様相に主に制限されています。脳波を用いた研究が、はっきりと程度には一貫性があり、35プロポ フォール、セボフルラン36 N2O37と麻酔・鎮静の中に機能的ネットワークのトポロジカルな構造の変化を明らかにするため、広く間隔をあけられたセンサー レベルの脳波データは意味を定義し、対応する機能的ネットワークの頂点を描く空間解像度が不足しています。逆に、fMRI 及び陽電子放射断層撮影 (PET)、優れた空間分解能を利用した研究が脳波13,38,39 の大規模機能接続で同様の位相変化を検索します。41,, ,40しかし持っている位相-振幅のアルファ (8-13 Hz) の脳波バンドと他の力学現象の重要な署名として浮上している結合を特徴づける時間分解能が不足しています。麻酔作用12,42。また、これらの措置が、電磁的神経活動43直接評価は行いません。

したがって、麻酔薬のアクションに関連付けられた巨視的プロセスの理解を進める意味深長、前述の調査の制限必要がありますに対処する;麻酔剤および非侵襲的測定の不十分な時空間的解像度の制限の報道。これに基づき、著者概要気体の解離性麻酔剤の管理方法同時に脳磁図 (MEG) と開発されている健常者の脳波 Xe と N2o.

MEG は、ミリ秒の範囲は、時間分解能の脳波以外だけ侵襲神経生理学的手法として利用されています。脳波には、生成される皮質活動の低域通過フィルターとして機能し、メグはこの問題、容積伝導44号に大いにより少なく敏感な頭蓋骨によって電場のぶれの問題があります。メグが高いが、それを主張することができます空間定位脳波45,46よりソースと。メグはしかし、脳波は真の参照無料レコーディング37,47, を許可しません。Meg も通常活動を記録皮質脳波、高ガンマ線は48(通常 70 90 Hz) よりもはるかに広い周波数範囲で Xe29および N を含む麻酔剤の催眠効果に関与することが示唆されています。2O28。MEG メグは主に細胞内電流46,によって生成された磁場を反映しているに対し細胞外の電流に関連する脳波と脳波によって伝えられることを褒め神経生理学的活動を提供しています49。 さらに、メグは電気生理学的活動、皮質に接線方向に特に敏感な脳波は大抵放射状皮質49に細胞の活動を記録しながら。超添加物の利点の50は、脳磁図、脳波データを合成すること。

次の原則の理由のため、気体の解離剤 Xe と N2O の分野: 無臭 (Xe) または本質的に無臭 (N2O)、したがって、制御条件で採用する場合存在下で容易に利用できます。サブ臨床濃度。さらに、リモート管理と彼らの弱い心臓性呼吸抑制作用の61のための実験環境の監視に適しています。キセノンと低い範囲 N2O、比較的低い最小値を保持-肺胞濃度 (MAC)-目を覚まし、患者の 50% がそれぞれ 32.6 ± 6.151と52 63.3 ± 7.1 の値で口頭でのコマンドに応答しなくなります。Xe と N2O にもかかわらず両方 NMDA 受容体拮抗薬であること、彼らは異なる脳波を調節する – Xe は、典型的な gaba 作動性エージェント、バイスペクトラル ・ インデックス33,53,54 を使用して監視するときのように動作するが表示されます(電気麻酔の深さを監視するために使用するいくつかのアプローチの 1 つ)。対照的に、N2O 効果を生成それほど明白脳波悪い、それがすべてでは、26のバイスペクトラル ・ インデックスを使用して監視をされている場合。Xe 他の解離性のエージェントに報告された脳波プロパティが異なるより一般に調査の gaba 作動性エージェントに類似した特性を所有しているので、その電気生理学的研究が重要な明らかにする潜在的な意識と対応する機能的なネットワークの変化に関わる神経基盤に関連する機能。NMDA 受容体で動作するエージェントが明らかにするより通常と変更された意識を生後脳ネットワークについて NMDA 受容体を介した重要な役割を与えられた学習とメモリとの関係の役割の範囲内での活動を果たしている可能性が高い統合失調症とうつ病の80を含む精神疾患。

本稿は、メグと脳波を同時に記録しながら非病院環境での気体の麻酔剤の配信に関連付けられている要求の厳しい、複雑なデータ収集の手順に重点を置いた。センサー レベルで基本的なデータ解析を概説し、最小限の頭の動きと高品質のレコーディングを得られることを示す例のデータを提供します。通常実行されるこの種のデータを使用して後続のソース画像および/または機能接続分析のための多くの潜在的な方法が説明されていないこれらのメソッドも文献に記載されてのためのさまざまなオプションと解析55,56。

Protocol

研究権利「の影響吸入 Xe と N2O の記録脳波・脳磁図を用いた脳活動」が承認された (承認番号: 260/12) アルフレッド病院スウィンバーン工科大学倫理委員会によって国民の要件を満たすと人間の研究 (2007 年) の倫理的な行動に関する声明。 1. 参加者の選考と事前調査の要件 20 〜 40 歳の年齢の間の健康、右利き、大人の男性を選択するインタビューを実施し…

Representative Results

このセクションは同時録音の典型的な特徴を示すために 1 つの主題から得られたデータを利用し、誘導される麻酔薬のより良い理解を貢献するこのような情報の潜在的な意識の変容状態。ため、博覧会を簡略化の結果を表示 i) 後抗嘔吐管理ベースライン (基準 3) の録音 ii) 0.75 等 MAC 目を覚ましピーク濃度 (レベル 3) N2O (47%)、Xe (24%)、および iii) 42% (ピーク Xe ?…

Discussion

本稿は、包括的なプロトコルの N2O と Xe 麻酔ガスの配達中にメグと脳波の同時記録を概説しています。このようなプロトコルは、意識の麻酔薬による削減の電磁の神経機構を研究するための貴重ななります。プロトコルは、セボフルランやイソフルラン麻酔など他の麻酔ガスの配達に一般化するも期待されます。麻酔薬による削減分子の非常に異なるモードとアクションのターゲッ?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

著者は、MEG データ コレクションに貴重な技術援助の Mahla キャメロン ブラッドリー、レイチェル アン バティとヨハンナ ・ スティーブンスを感謝したいです。おかげで、サポートのための 2 番目の麻酔科医として博士スティーブン ・ マクギガンに拡張さらに。ペイジ パパスには、非常に貴重な麻酔看護師の監視が用意されています。マーカス石優雅彼の時間と編集と撮影プロトコルの専門知識を提供しました。博士スレシュ ・ Muthukumaraswamy は、データの解析と結果の解釈に関する具体的なアドバイスを与えた。最後に、ジャロッド ゴットは多くの刺激的な議論を貢献した、パイロット実験の数の実行に貢献し、泡ヘッド ブレースの設計の中心だった。

この研究はジェームス s. マクドネル ・共同助成金 #220020419 ジョージ Mashour、マイケル ・ Avidan、マックス Kelz、デビッド ・ リリーに与えられる「再構築意識」によって支えられました。

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
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Pelentritou, A., Kuhlmann, L., Cormack, J., Woods, W., Sleigh, J., Liley, D. Recording Brain Electromagnetic Activity During the Administration of the Gaseous Anesthetic Agents Xenon and Nitrous Oxide in Healthy Volunteers. J. Vis. Exp. (131), e56881, doi:10.3791/56881 (2018).
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