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神经科学

Registro da Atividade Eletromagnética do Cérebro Durante a Administração dos Agentes Anestésicos Gasosos Xenônio e Óxido Nitroso em Voluntários Saudáveis

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

Eletroencefalografia e magnetoencefalografia simultânea fornece uma ferramenta útil para procurar mecanismos comuns e distintas macroescala de reduções na consciência induzida por diferentes anestésicos. Este documento ilustra os métodos empíricos subjacentes a gravação desses dados do seres humanos saudáveis durante anestesia N-Methyl-D-Aspartate-(NMDA)-receptor-antagonist-based durante a inalação de óxido nitroso e xenônio.

Abstract

Anestesia sem dúvida uma das maneiras de estudar as correlações neurais da consciência/inconsciência global apenas sistemáticas fornece. No entanto, até à data mais neuroimagem ou investigações neurofisiológicas em humanos tem sido confinado ao estudo dos anestésicos γ-Amino-Butyric-Acid-(GABA)-receptor-agonist-based, enquanto os efeitos da dissociação N-Methyl-D-Aspartate-(NMDA)- receptor antagonista-baseado anestésicos ketamina, óxido nitroso (N2O) e xenônio (Xe) são em grande parte desconhecidos. Este artigo descreve os métodos subjacentes a gravação simultânea de magnetoencefalografia (MEG) e Eletroencefalografia (EEG) de homens saudáveis durante a inalação de agentes anestésicos gasosos N2O e Xe. Combinar dados de MEG e EEG permite a avaliação da atividade eletromagnética cerebral durante a anestesia em alta resolução espacial, temporal e moderada. Aqui descrevemos um protocolo detalhado, refinado ao longo de várias sessões de gravação, que inclui o tema recrutamento, instalação de equipamento de anestesia na sala de varredor de MEG, coleta de dados e análise de dados básicos. Neste protocolo, cada participante é exposto a níveis variados de Xe e N2O em um projeto de transversalidade de medidas repetidas. De base relevante participantes gravações são expostos a seguir para aumentar a step-wise inspirou concentrações de Xe e N2O de 8, 16, 24 e 42% e 16, 32 e 47% respectivamente, durante o qual o seu nível de capacidade de resposta é controlado com um auditivo tarefa de desempenho contínuo (aCPT). Os resultados são apresentados para uma série de gravações para destacar as propriedades de sensor de nível de dados brutos, a topografia espectral, a minimização dos movimentos da cabeça e os efeitos dependentes nível inequívocos sobre as respostas evocados auditivos. Este paradigma descreve uma abordagem geral para a gravação de sinais electromagnéticos associados com a ação de diferentes tipos de gases anestésicos, que podem ser facilmente adaptados para ser usado com agentes anestésicos voláteis e intravenosos. Espera-se que o método descrito pode contribuir para a compreensão dos mecanismos de macroescala da anestesia, permitindo extensões metodológicas envolvendo fonte espaço imagem e análise de rede funcional.

Introduction

Há bom consenso entre pré-clínicos e clínica neurocientífico evidência sugerindo que o fenômeno da consciência humana depende da integridade dos circuitos neurais explícitas. A observação de que tais circuitos sistematicamente são influenciados pela descida inconsciente tem justificado a necessidade de técnicas de neuroimagem ser utilizado durante a anestesia e permitir ‘navegar’ a busca para as correlações neurais de consciência. Com a possível exceção de sono, anestesia representa o único método pelo qual um pode, de forma controlada, reversível e reprodutível, perturb e assim, dissecar, os mecanismos que servem sub consciência, especialmente na escala macroscópica de dinâmica global do cérebro. Clinicamente, a anestesia geral pode ser definida como um estado de hipnose/inconsciência, imobilidade e analgesia e continua sendo uma das intervenções médicas mais abundantemente usadas e mais seguras. Apesar da clareza e eficiência no resultado final, ainda há grande incerteza sobre os mecanismos de ação dos vários tipos de agentes, dando origem a inconsciência induzido anestésica1.

Anestésicos podem ser divididos em agentes intravenosos notavelmente propofol e os barbitúricos ou agentes voláteis/gasoso como sevoflurano, isoflurano, óxido nitroso (N2O) e xenônio (Xe). A farmacologia da anestesia tem sido bem estabelecida com múltiplos alvos celulares identificados como ligados à ação anestésica. A maioria dos agentes estudaram a data ato principalmente através da genealogia da atividade do receptor mediada por γ-Amino-Butyric-Acid-(GABA). Em contraste, a cetamina agentes dissociativos, Xe e N2O são acreditados para exercer seus efeitos, principalmente orientando N-Methyl-D-Aspartate-(NMDA) glutamatérgico receptores2,3. Outros alvos farmacológicos importantes incluem canais de potássio, os receptores de acetilcolina e os receptores de glutamato remanescente, Leandro e agonista, no entanto, na medida da sua contribuição para a ação anestésica continua elusiva (para um revisão abrangente, consulte 4).

O grau de variabilidade no mecanismo de ação e os efeitos observados neurais e fisiológicos dos diversos tipos de agentes processa a derivação das conclusões gerais sobre sua influência na transformação consciente difícil. Perda de consciência (LOC) induzida por agentes gabaérgica é tipicamente caracterizada por uma mudança global na actividade cerebral. Isto é evidente no surgimento de alta amplitude de baixa frequência delta (δ, 0,5-4 Hz) ondas e a redução da atividade de gama (γ, 35-45Hz) no eletroencefalograma (EEG), similar à onda lenta de alta frequência, dormem5,6 , bem como as reduções generalizadas no sangue cerebral fluxo e glicose metabolismo5,6,7,8,9,10,11,12 . Boveroux et al. 13 adicionado para tais observações, demonstrando uma diminuição significativa no repouso conectividade funcional do estado sob anestesia propofol usando ressonância magnética funcional (fMRI). Em contraste, anestésicos dissociativos rendem menos claro o perfil de efeitos na atividade cerebral. Em alguns casos, eles estão associados com aumentos no sangue cerebral fluxo e glicose metabolismo14,15,16,17,18,19, 20,21 , enquanto os estudos de Rex e colegas22 e Laitio e colegas23,24 olhando para os efeitos do Xe forneceu evidências de ambos aumentaram e diminuíram o cérebro atividade. Uma irregularidade semelhante pode ser vista nos efeitos sobre os sinais do EEG25,26,27,28. Johnson et al. 29 demonstrou um aumento no total de energia da delta de bandas de baixa frequência e theta, bem como a maior gama de banda de frequência em um estudo de EEG da anestesia Xe enquanto opostas observações foram feitas para N2O no delta, high-density theta e 30,31 bandas de frequência alfa e para o Xe no maior frequências32. Tal variabilidade nos efeitos do Xe na atividade elétrica do couro cabeludo pode ser observada na alfa e gamas de frequência beta com ambos aumenta também reduções e33 34 sendo relatado.

Apesar das discrepâncias acima mencionadas, a imagem começa a se tornar mais consistente através de agentes quando um tenta olhar para alterações de conectividade funcional entre áreas do cérebro. No entanto, tais medidas foram predominantemente restritas a modalidades que necessariamente fazem concessões no que diz respeito a resolução espacial ou temporal. Enquanto estudos utilizando o EEG parecem revelar claramente e em certa medida consistente, alterações da estrutura topológica de redes funcionais durante anestesia/sedação com propofol35, sevoflurano36 e N2O37, o dados de EEG níveis largamente espaçados sensor tem resolução espacial insuficiente significativamente, definir e delinear os vértices das redes funcionais correspondentes. Por outro lado, estudos utilizando a resolução espacial superior de ressonância magnética e tomografia por emissão de pósitrons (PET), encontrar alterações topológicas semelhantes em grande escala conectividade funcional ao de EEG13,38,39 , ,40,41, no entanto possuem resolução temporal insuficiente para caracterizar o acoplamento em banda alfa (8-13 Hz) EEG e outros fenômenos dinâmicos que estão emergindo como importantes assinaturas de fase-amplitude ação anestésica12,,42. Além disso, estas medidas não avaliam diretamente atividade neural eletromagnética43.

Portanto, para avançar significativamente a compreensão dos processos macroscópicos associados com a ação de anestésicos, as limitações das investigações mencionadas anteriormente devem ser abordadas; a cobertura restrita de agentes anestésicos e a insuficiente resolução espaço-temporal das medições não-invasiva. Nesta base, os autores descrevem um método para gravar simultaneamente magnetoencephalogram (MEG) e atividade de EEG em voluntários saudáveis que tem sido desenvolvida para a administração dos agentes anestésicos dissociativos gasosos, Xe e N2O.

A MEG é utilizada como é a técnica neurofisiológica apenas não-invasiva além do EEG com uma resolução temporal na faixa de milissegundo. EEG tem o problema da indefinição de campos elétricos pelo crânio, que funciona como um filtro passa-baixa na atividade corticalmente gerado, enquanto que MEG é muito menos sensível a esta questão e a questão da condução de volume44. Pode-se argumentar que a MEG tem maior espacial e precisão de localização do que o EEG 45,46de origem. EEG não permite a gravação de referência livre verdadeiro37,47, porém MEG faz. Sistemas de MEG também normalmente gravar atividade cortical em uma gama de frequência muito maior do que o EEG, incluindo alta gama48(geralmente 70-90 Hz), que têm sido sugeridos para ser envolvidos nos efeitos hipnóticos de agentes anestésicos incluindo Xe29 e N 2 O28. A MEG oferece atividade neurofisiológica que complementa que transmitiu por EEG, como atividade do EEG se relaciona com correntes elétricas extracelulares Considerando que MEG reflete principalmente os campos magnéticos gerados por correntes intracelular46, 49. Além disso, a MEG é particularmente sensível à atividade eletrofisiológica tangencial ao córtex, enquanto o EEG registra principalmente atividade extracelular radial para o córtex49. Assim, combinar dados de MEG e EEG tem vantagens super aditivo50.

Os agentes dissociativos gasoso Xe e N2O foram escolhidos pelas seguintes razões de princípio: são inodoro (Xe) ou essencialmente inodoro (N2O) e, portanto, pode facilmente ser utilizados na presença de condições de controle quando empregado em concentrações sub-clínica. Além disso, eles são adequados para a administração remota e monitoramento em um ambiente de laboratório, devido à sua fraca cardio-respiratória efeitos depressor61. Xénon e a um menor grau N2O, manter um mínimo relativamente baixo-alveolar – concentração-(MAC)-acordado em que 50% dos pacientes tornam-se não responde a um comando verbal com valores de 32,6 ± 6,1%51 e 63,3 + – 7,1%52 respectivamente. Apesar de Xe e N2O tanto sendo antagonistas dos receptores NMDA, modulam o EEG diferentemente – Xe aparece se comportar mais como um típico agente de gabaérgica quando monitorados usando o Índice Bispectral33,53,54 (uma das várias abordagens usadas para monitorar electroencephalographically profundidade da anestesia). Em contraste, N2O produz um efeito eletroencefalográficos muito menos aparente que é mal, se em tudo, monitorado usando o Índice Bispectral26. Porque Xe tem diferentes propriedades eletroencefalográficos relatadas para os outros agentes dissociativos, mas possui características similares aos agentes mais comumente estudados gabaérgica, seu estudo eletrofisiológico tem potencial para revelar-se importante recursos relacionados com as correlações neurais da consciência e as alterações de rede funcional correspondente. Agentes que agem no receptor NMDA são susceptíveis de revelar mais sobre as redes de cérebro que subserve normal e alterada de consciência, dado o papel fundamental que o receptor NMDA mediado atividade desempenha na aprendizagem e memória e seu papel implicado em uma variedade de transtornos psiquiátricos que incluem esquizofrenia e depressão80.

Este artigo se concentra principalmente em exigentes e complexos dados coleção processo associado com a entrega de agentes anestésicos gasosos em um ambiente não-hospitalar enquanto gravava simultaneamente MEG e EEG. Análise de dados básicos no nível do sensor é delineada e dados de exemplo são fornecidos para ilustrar que gravações de alta-fidelidade podem ser obtidas com o mínimo movimento da cabeça. Muitos métodos potenciais para subsequentes fonte de imagem e/ou funcional conectividade análise que seria normalmente realizada usando este tipo de dados não são descritos, como esses métodos são bem descritos na literatura e demonstram várias opções para análise de55,56.

Protocol

O estudo intitulado “Efeitos da inalação de Xe e N2O na atividade cerebral gravada usando EEG e MEG” foi aprovado (número de aprovação: 260/12) pelo Comitê de ética da Universidade de tecnologia de Swinburne e Alfred Hospital e cumprido as exigências do nacional Declaração sobre ética em pesquisa humana (2007). 1. participante seleção e pré-estudos de requisitos Conduza uma entrevista para selecionar os machos saudáveis, destros, adultos entre as idades de 2…

Representative Results

Esta seção utiliza dados obtidos de um assunto para demonstrar as características típicas das gravações simultâneas e o potencial de tais informações para contribuir a uma compreensão melhor de anestesia induzida por Estados alterados de consciência. Para simplificar a exposição, os resultados são mostrados por i) gravações da linha de base da administração pós-antiemético (linha 3), ii) 0,75 equi-MAC-acordado as concentrações máximas de gás (nível 3) de N2</…

Discussion

Este papel esboçou um protocolo abrangente para a gravação simultânea de MEG e EEG durante a entrega do gás anestésico com N2O e Xe. Tal um protocolo será valioso para estudar as correlações neurais eletromagnéticas das reduções induzida pela anestesia em consciência. O protocolo também é esperado para generalizar para a entrega de outros gases anestésicos como sevoflurano ou isoflurano. Isto irá facilitar uma maior compreensão dos mecanismos comuns, específicas e distintas macroscópicas qu…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Os autores gostaria agradecer António Carlos Cameron Bradley, Rachel Anne Batty e Johanna Stephens valiosa assistência técnica com coleta de dados de MEG. Obrigado é adicionalmente estendido ao Dr. Steven Mcguigan para suporte como uma segunda anestesiologista. Paige Pappas fornecida supervisão de enfermeira anestésica inestimável. Markus Stone graciosamente oferecido seu tempo e experiência em edição e filmagem do protocolo. Dr. Suresh Muthukumaraswamy deu conselhos específicos em matéria de análise de dados e a interpretação dos resultados. Finalmente, Jarrod Gott contribuiu com muitos uma discussão estimulante, ajudou na execução de uma série de experimentos piloto e foi central na concepção da cinta de cabeça de espuma.

Esta pesquisa foi suportada por um fundo de colaboração James S. McDonnell #220020419 “Reconstruir a consciência” atribuída a George Mashour, Michael Avidan, Max Kelz e David Liley.

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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