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神经科学

Registro actividad electromagnética cerebral durante la administración del xenón gaseoso agentes anestésicos y óxido nitroso en voluntarios sanos

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

Electroencefalograma (EEG) y magnetoencefalografía simultánea proporciona una útil herramienta para buscar mecanismos comunes y distintas macro escala de reducciones en la conciencia inducida por anestésicos diferentes. Este artículo ilustra los métodos empíricos que subyace a la grabación de los datos de los seres humanos sanos durante la anestesia de N-Methyl-D-Aspartate-(NMDA)-receptor-antagonist-based durante la inhalación de óxido nitroso y xenón.

Abstract

Anestesia proporciona sin duda una de las formas sólo sistemáticas para el estudio de los correlatos neuronales de global de consciencia/inconsciencia. Sin embargo hasta la fecha la mayoría neuroimagen o investigaciones neurofisiológicas en los seres humanos se han confinado al estudio de los anestésicos γ-Amino-Butyric-Acid-(GABA)-receptor-agonist-based, mientras que los efectos de la N-Methyl-D-Aspartate-(NMDA) disociativo- basado en el antagonista de receptor de anestésicos ketamina, óxido nitroso (N2O) y xenón (Xe) son en gran parte desconocidos. Este artículo describe los métodos subyacentes la grabación simultánea de Magnetoencefalografía (MEG) y Electroencefalografía (EEG) de hombres sanos durante la inhalación de los agentes anestésicos gaseosos N2O y Xe. Combinando datos de MEG y EEG permite la evaluación de la actividad electromagnética cerebral durante la anestesia en la alta resolución espacial, temporal y moderada. Aquí describimos un protocolo detallado, refinado en varias sesiones de grabación, que incluye el tema reclutamiento, configuración de equipos de anestesia en la sala de escáner de MEG, recopilación de datos y análisis de datos básicos. En este protocolo cada participante está expuesto a diferentes niveles de Xe y N2O en un diseño cruzado de medidas repetidas. Después de base relevante participantes grabaciones están expuestos a aumento de step-wise inspiraron en concentraciones de Xe y N2O de 8, 16, 24 y 42% y 16, 32 y 47% respectivamente, durante el cual su nivel de sensibilidad se realiza un seguimiento con un auditivo tarea de rendimiento continuo (aCPT). Se presentan resultados de una serie de grabaciones para resaltar las propiedades de sensor de nivel de los datos en bruto, la topografía espectral, la minimización de los movimientos de la cabeza y los efectos dependientes nivel inequívocos en las respuestas evocadas auditivas. Este paradigma describe un acercamiento general a la grabación de señales electromagnéticas asociadas con la acción de diferentes tipos de gases anestésicos, que pueden ser fácilmente adaptados para utilizarse con agentes anestésicos volátiles e intravenosos. Se espera que el método descrito puede contribuir a la comprensión de los mecanismos de la macro escala de anestesia permitiendo extensiones metodológicas que implican fuente espacio la proyección de imagen y análisis funcional de la red.

Introduction

Existe buen consenso entre evidencia neurocientífica preclínicos y clínico que sugieren que el fenómeno de la conciencia humana depende de la integridad de los circuitos neuronales explícitos. La observación que dichos circuitos son sistemáticamente influenciadas por el descenso en la inconsciencia ha justificado la necesidad de técnicas de neuroimagen utilizados durante la anestesia y permitir ‘navegar’ en la búsqueda de los correlatos neuronales de conciencia. Con la posible excepción del sueño, la anestesia representa el único método por el cual uno puede, de manera controlada, reversible y reproducible, perturban y diseccionar así, los mecanismos que el servir a conciencia, especialmente en la escala macroscópica de dinámica global del cerebro. Clínicamente, la anestesia general puede definirse como un estado de hipnosis/inconsciencia, inmovilidad y analgesia y sigue siendo una de las intervenciones médicas más abundantemente utilizadas y más seguras. A pesar de la claridad y eficacia en el resultado final, existe gran incertidumbre con respecto a los mecanismos de acción de los distintos tipos de agentes, dando lugar a inconsciencia inducida por anestesia1.

Los anestésicos pueden dividirse en agentes intravenosos especialmente propofol y los barbitúricos o agentes volátiles/gaseosos como el sevoflurano, isoflurano, el óxido nitroso (N2O) y xenón (Xe). La farmacología de la anestesia ha sido bien establecida con varios destinos celulares identificados como vinculados a la acción anestésica. Mayoría de los agentes estudiados fecha acto principalmente mediante el agonismo de la actividad mediada por receptores de γ-Amino-Butyric-Acid-(GABA). En contraste, la ketamina agentes disociativos, Xe y N2O se cree que ejercen sus efectos principalmente apuntando a N-Methyl-D-Aspartate-(NMDA) glutamatérgicos receptores2,3. Otros importantes objetivos farmacológicos incluyen canales de potasio, receptores de la acetilcolina y los receptores de glutamato del remanente, AMPA y kainato, sin embargo la medida de su contribución a la acción anestésica se mantiene esquiva (para una revisión completa véase 4).

El grado de variabilidad en el mecanismo de acción y los efectos fisiológicos y neuronales observados de los diferentes tipos de agentes hace difícil que la derivación de conclusiones generales sobre su influencia en el proceso consciente. Pérdida de conciencia (LOC) inducida por agentes GABAérgicos típicamente se caracteriza por un cambio global en la actividad cerebral. Esto es evidente en la aparición de gran amplitud, baja frecuencia delta (δ, 0.5-4 Hz) las ondas y la reducción de actividad de la gamma (γ, 35-45Hz) en el electroencefalograma (EEG), similar al lento de la onda de alta frecuencia, sueño5,6 así como las reducciones generalizadas en sangre cerebral caudal y glucosa metabolismo5,6,7,8,9,10,11,12 . Boveroux et al. 13 agregada a tales observaciones demostrando una disminución significativa en la reclinación de conectividad funcional del estado bajo anestesia de propofol con la proyección de imagen de resonancia magnética funcional (fMRI). En contraste, anestésicos disociativos producen menos claro el perfil de efectos sobre la actividad cerebral. En algunos casos, se asocian con aumentos en sangre cerebral caudal y glucosa metabolismo14,15,16,17,18,19, 20,21 mientras que los estudios de Rex y sus colegas22 y Laitio y colegas23,24 mirando los efectos del Xe proporciona evidencia de ambos aumentaron y disminuyeron el cerebro actividad. Una irregularidad similar puede verse en los efectos sobre el EEG señales25,26,27,28. Johnson et al. 29 demostraron un aumento en la energía total de la baja frecuencia bandas delta y theta, así como en la mayor gamma de banda de frecuencia en una estudio de EEG de anestesia Xe mientras que se realizaron observaciones opuestas para el N2O en el delta, de alta densidad theta y bandas de frecuencias alfa de30,31 y Xe en el más alto de frecuencias32. Tal variabilidad en los efectos del Xe en la actividad eléctrica del cuero cabelludo puede observarse en la alfa y gamas de frecuencia beta también con ambos aumenta33 y reducciones34 divulgando.

A pesar de las discrepancias mencionadas anteriormente, la imagen empieza a ser más consistente a través de los agentes cuando uno intenta ver alteraciones en la conectividad funcional entre áreas del cerebro. Sin embargo, estas medidas han sido predominantemente restringidas a las modalidades que necesariamente hacen concesiones con respecto a la resolución espacial o temporal. Mientras que los estudios usando el EEG parecen revelar clara y hasta cierto punto constante, cambios en la estructura topológica de redes funcionales durante la anestesia/sedación con propofol35, sevoflurane36 y N2O37, el datos EEG muy espaciados sensor tienen suficiente resolución espacial significativo definir y delinear los vértices de las redes funcionales correspondientes. Por el contrario, estudios utilizando la resolución espacial superior de fMRI y tomografía por emisión de positrones (PET), encuentran alteraciones topológicas similares en conectividad funcional a gran escala a la de EEG13,38,39 ,40,41, sin embargo posee escasa resolución temporal para caracterizar la fase amplitud en la banda (8-13 Hz) EEG alfa y otros fenómenos dinámicos que están surgiendo como importantes firmas de acción anestésica12,42. Por otra parte, estas medidas no evaluar directamente actividad neural electromagnética43.

Por lo tanto, para avanzar significativamente en la comprensión de los procesos macroscópicos relacionados con la acción de los anestésicos, las limitaciones de las investigaciones anteriormente mencionadas deben abordarse; la cobertura limitada de los agentes anestésicos y la resolución espacio-temporal insuficiente de las mediciones no invasivas. Sobre esta base, los autores describen un método para grabar simultáneamente equipo (MEG) y la actividad EEG en voluntarios sanos que se ha desarrollado para la administración de los agentes anestésicos disociativos gaseosos, Xe y N2O.

La MEG es utilizada ya que es la técnica neurofisiológica sólo no invasivo que no sea el EEG que tiene una resolución temporal en la gama del milisegundo. EEG tiene un problema de confusión de campos eléctricos por el cráneo, que actúa como un filtro de paso bajo en la actividad cortical generada, mientras MEG es mucho menos sensible a este tema y el tema de la conducción de volumen44. Se puede argumentar que MEG tiene más espacial y precisión de localización de EEG 45,46la fuente. EEG no permite verdadera grabación libre de referencia37,47, sin embargo hace de MEG. Sistemas de MEG también suelen registran actividad cortical en una gama de frecuencia mucho más amplia que el EEG, incluyendo gamma alta48(típicamente 70-90 Hz), que se han sugerido para ser implicados en los efectos hipnóticos de agentes anestésicos como Xe29 y N 2 O28. La MEG ofrece actividad neurofisiológica que complementa que transmitía por EEG, como actividad de EEG se relaciona con las corrientes eléctricas extracelulares mientras que MEG refleja principalmente los campos magnéticos generados por corrientes intracelulares46, 49. por otra parte, MEG es particularmente sensible a la actividad electrofisiológica tangencial a la corteza, mientras que el EEG registra principalmente extracelular actividad radial a la corteza49. Así, combinando datos de MEG y EEG tiene ventajas súper aditivo50.

Los agentes disociativos gaseoso Xe y N2O han sido elegidos por las siguientes razones de principio: son inodoro (Xe) o esencialmente inodoro (N2O) y por lo tanto pueden ser utilizados fácilmente en presencia de condiciones de control cuando trabajan en concentraciones sub-clínicas. Además, son aptos para administración remota y seguimiento en un entorno de laboratorio debido a sus efectos depresores cardio-respiratorio débil61. Xenon y a un menor grado N2O, retener un mínimo relativamente bajo-alveolar – concentración-(MAC)-despierto en que 50% de los pacientes dejen de responder a un comando verbal con valores de 32,6 ± 6.1%51 y52 de 63,3 + – 7.1% respectivamente. A pesar de Xe y N2O tanto ser antagonistas de los receptores NMDA, modulan el EEG diferentemente – Xe parece comportarse más como un agente típico de GABAérgico cuando supervisar mediante el índice biespectral33,53,54 (uno de varios métodos usados para monitorear electroencephalographically profundidad de la anestesia). En cambio, N2O produce un efecto electroencephalographic mucho menos aparente en que es mal, si en todos, supervisar mediante el índice biespectral26. Porque Xe tiene diferentes propiedades electroencephalographic informadas a los otros agentes disociativos, pero posee características similares a los agentes más comúnmente estudiados de GABAérgico, su estudio electrofisiológico tiene el potencial para revelar importantes características relativas a los correlatos neuronales de la conciencia y los cambios de red funcional correspondiente. Agentes que actúan en el receptor NMDA están probables que revelan más acerca de las redes cerebrales que favorecen la conciencia normal y alterada, dado el papel crítico que mediada por el receptor NMDA actividad desempeña en el aprendizaje y la memoria y su papel implicado en una gama de trastornos psiquiátricos que incluyen la esquizofrenia y la depresión80.

Este documento se centra principalmente en el exigentes y complejas datos colección procedimiento asociado con la entrega de los agentes anestésicos gaseosos en medio no hospitalario mientras se graban simultáneamente MEG y EEG. Análisis de los datos básicos en el nivel del sensor se contornea y se proporcionan datos de ejemplo mostrando que se pueden obtener grabaciones de alta fidelidad con un mínimo movimiento de la cabeza. No se describen los muchos métodos posibles para fuente posterior proyección de imagen o funcionales conectividad análisis que se realizan normalmente utilizando este tipo de datos, ya que estos métodos están bien descritos en la literatura demuestran diversas opciones para Análisis de55,56.

Protocol

El estudio titulado “Efectos de la inhalación Xe y N2O en la actividad cerebral registrada mediante EEG y MEG” fue aprobado (número de aprobación: 260/12) por el Hospital de Alfred y el Comité de ética de la Universidad de Swinburne de la tecnología y los requisitos de la nacional Declaración sobre la conducta ética en la investigación humana (2007). 1. participante selección y pre-estudios requisitos Realizar una entrevista para seleccionar machos sanos, zurdos,…

Representative Results

Esta sección utiliza datos obtenidos de un tema con el fin de demostrar las características típicas de las grabaciones simultáneas y el potencial de esa información para contribuir a una mejor comprensión de la anestesia inducida por estados alterados de conciencia. Para simplificar la exposición, se muestran resultados para grabaciones i) de la línea de base de administración de post anti emético (referencia 3), ii) 0.75 equi-MAC-despertar las concentraciones máximas del gas (…

Discussion

Este trabajo ha definido un protocolo completo para la grabación simultánea de MEG y EEG durante la entrega de gas anestésico con N2O y Xe. Dicho Protocolo será valioso para el estudio de los correlatos neurales electromagnéticos de reducción inducida por el anestésico en la conciencia. El protocolo pretende generalizar la entrega de otros gases anestésicos como el sevoflurano o isoflurano. Esto facilitará una mayor comprensión de los mecanismos macroscópicos comunes, específicos y distintos que su…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Los autores desean agradecer a Mahla Cameron Bradley, Rachel Anne Batty y Johanna Stephens valiosa asistencia técnica con la recopilación de datos de la MEG. Gracias se extienden además a Dr. Steven Mcguigan para apoyo como un segundo anestesiólogo. Paige Pappas proporciona supervisión de enfermería anestésica invaluable. Markus Stone ofreció amablemente su tiempo y experiencia en edición y filmación del protocolo. Dr. Suresh Muthukumaraswamy dio consejos específicos sobre análisis de datos y la interpretación de resultados. Finalmente, Jarrod Gott muchos contribuyó una estimulante discusión, ayudó en la ejecución de una serie de experiencias piloto y fue central en el diseño de la rodillera cabeza de espuma.

Esta investigación fue apoyada por una beca de colaboración de James S. McDonnell #220020419 “Reconstrucción de la conciencia” otorgada a George Mashour, Michael Avidan, Max Kelz y 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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