Registrazione attività elettromagnetica cerebrale durante l'amministrazione del xeno di agenti anestetici gassosi e protossido di azoto in volontari sani
Summary
Elettroencefalografia e simultanea magnetoencefalografia fornisce uno strumento utile per cercare i meccanismi comuni e distinte macro-scala delle riduzioni in coscienza indotta da differenti anestetici. Questo articolo illustra i metodi empirici sottostante la registrazione di tali dati dagli esseri umani sani durante l’anestesia N-Methyl-D-Aspartate-(NMDA)-receptor-antagonist-based durante l’inalazione del protossido d’azoto e xenon.
Abstract
Anestesia senza dubbio fornisce uno dei modi solo sistematici per studiare i correlati neurali della coscienza globale/perdita di coscienza. Tuttavia fino ad oggi la maggior parte neuroimaging o indagini neurofisiologiche in esseri umani sono state limitate allo studio degli anestetici γ-Amino-Butyric-Acid-(GABA)-receptor-agonist-based, mentre gli effetti di dissociativi N-Methyl-D-Aspartate-(NMDA)- basati su recettore-antagonista anestetici ketamina, xeno (Xe) e protossido di azoto (N2O) sono largamente sconosciuti. Questo articolo descrive i metodi alla base la registrazione simultanea di magnetoencefalografia (MEG) e l’elettroencefalografia (EEG) da maschi sani durante l’inalazione di agenti anestetici gassosi N2O le Xe. Combinando i dati EEG e MEG consente la valutazione dell’attività elettromagnetica cerebrale durante l’anestesia ad alta risoluzione spaziale, temporale e moderata. Qui descriviamo un protocollo dettagliato, affinato nel corso di più sessioni di registrazione, che include soggetto reclutamento, installazione di apparecchiatura di anestesia nella stanza dello scanner di MEG, raccolta dati e analisi di dati di base. In questo protocollo ogni partecipante è esposto a diversi livelli di Xe e N2O in un disegno cross-over di misure ripetute. Seguendo la linea di base pertinente registrazioni partecipanti sono esposti al graduale aumento ispirato le concentrazioni di Xe e N2O di 8, 16, 24 e 42% e 16, 32 e 47%, rispettivamente, durante il quale viene registrato il loro livello di reattività con un uditivo compito continuo della prestazione (aCPT). Risultati sono presentati per una serie di registrazioni per evidenziare la proprietà a livello di sensore di dati grezzi, la topografia spettrale, la minimizzazione dei movimenti della testa e gli effetti dipendenti livelli inequivocabili sulle risposte evocate uditive. Questo paradigma descrive un approccio generale alla registrazione di segnali elettromagnetici associata all’azione di diversi tipi di anestetici gassosi, che possono essere facilmente adattati per essere utilizzato con agenti anestetici volatili ed endovenosi. Si prevede che il metodo descritto può contribuire alla comprensione dei meccanismi macro-scala di anestesia di abilitazione delle estensioni metodologiche che coinvolgono fonte spazio imaging e l’analisi di rete funzionale.
Introduction
C’è un buon consenso tra prove neuroscientifiche pre-cliniche e cliniche, suggerendo che il fenomeno della coscienza umana dipende dall’integrità dei circuiti neurali espliciti. L’osservazione che tali circuiti sono sistematicamente influenzati dalla discesa in stato di incoscienza è motivata la necessità di tecniche di neuroimaging essere utilizzati durante l’anestesia e consentono di ‘navigare’ la ricerca delle correlazioni neurali di coscienza. Con la possibile eccezione di sonno, anestesia rappresenta l’unico metodo con cui si può, in modo controllato, reversibile e riproducibile, perturbare e sezionare così, i meccanismi che Sub-servono coscienza, soprattutto su scala macroscopica di dinamica del cervello globale. Clinicamente, l’anestesia generale può essere definita come uno stato di ipnosi/perdita di coscienza, l’immobilità e l’analgesia e rimane uno degli interventi medici più abbondantemente usati e più sicuri. Nonostante la chiarezza e l’efficienza nel risultato finale, resta grande incertezza per quanto riguarda i meccanismi di azione dei vari tipi di agenti dando luogo a anestetico incoscienza indotto1.
Gli anestetici possono essere suddivisi in agenti endovenosi in particolare propofol e barbiturici o agenti volatili/gassosi quali sevoflurano, isoflurano, protossido di azoto (N2O) e xeno (Xe). La farmacologia dell’anestesia è stata affermata con bersagli cellulari più identificati come collegati all’azione anestetica. Maggior parte degli agenti studiato per data atto principalmente tramite l’agonismo di γ-Amino-Butyric-Acid-(GABA) l’attività del recettore mediato. In contrasto, la ketamina agenti dissociativi, Xe e N2O sono creduti di esercitare i loro effetti mirando principalmente N-Methyl-D-Aspartate-(NMDA) glutamatergic recettori2,3. Altri importanti bersagli farmacologici includono canali del potassio, recettori per l’acetilcolina e i recettori per il glutammato residuo, AMPA e kainato, tuttavia l’entità del loro contributo all’azione anestetica rimane inafferrabile (per una rassegna completa, vedere 4).
L’entità della variabilità nel meccanismo d’azione e gli effetti fisiologici e neurali osservati dei vari tipi di agenti, rende difficile la derivazione di conclusioni generali sulla loro influenza sull’elaborazione cosciente. Perdita di coscienza (LOC) indotto da agenti GABAergici è in genere caratterizzata da un cambiamento globale nell’attività cerebrale. Questo è evidente nell’emersione del alto-ampiezza, bassa frequenza delta (δ, 0,5-4 Hz) onde e la riduzione in alta frequenza, attività gamma (γ, 35-45Hz) nell’elettroencefalogramma (EEG), simile a onde lente dormire5,6 , nonché le riduzioni diffuse nel sangue cerebrale del glucosio e del flusso metabolismo5,6,7,8,9,10,11,12 . Boveroux et al. 13 aggiunto a tali osservazioni dimostrando una diminuzione significativa nella connettività funzionale stato sotto anestesia con propofol usando la formazione immagine a risonanza magnetica funzionale (fMRI) di riposo. Al contrario, anestetici dissociativi resa meno chiaro il profilo degli effetti sull’attività cerebrale. In alcuni casi, sono associati con gli aumenti in sanguigno cerebrale del glucosio e del flusso metabolismo14,15,16,17,18,19, 20,,21 , mentre gli studi di Rex e colleghi22 e Laitio e colleghi23,24 esaminando gli effetti di Xe fornito prova di entrambi aumentato e diminuito del cervello attività. Una simile irregolarità può essere visto negli effetti sui segnali EEG25,26,27,28. Johnson et al. 29 hanno dimostrato un aumento nel potere totale di bassa frequenza bande delta e theta pure come il più alta gamma di banda di frequenza in un’alta densità studio di EEG dell’anestesia Xe mentre avversarie osservazioni sono state fatte per N2O nel delta, theta e bande di frequenza alfa30,31 e per Xe nella maggiore di frequenze32. Tale variabilità negli effetti di Xe sull’attività elettrica del cuoio capelluto può essere osservato nell’alfa e gamme di frequenza beta con entrambi aumenta anche33 e riduzioni34 segnalanda.
Nonostante le discrepanze di cui sopra, l’immagine inizia a diventare più coerente attraverso agenti quando si cerca di guardare le alterazioni in connettività funzionale tra aree del cervello. Tuttavia, tali misure sono state principalmente limitati alle modalità che necessariamente fare concessioni per quanto riguarda la risoluzione spaziale o temporale. Mentre gli studi utilizzando l’EEG sembrano rivelare chiaro e in qualche misura coerenza, cambiamenti nella struttura topologica di reti funzionali durante anestesia/sedazione con propofol35, sevoflurano36 e N2O37, il ampiamente distanziati sensore livelli dati EEG hanno insufficiente risoluzione spaziale chiaramente definire e delineare i vertici delle reti funzionali corrispondenti. Al contrario, gli studi che utilizzano la risoluzione spaziale superiore del fMRI e tomografia a emissione di positroni (PET), trovare simili alterazioni topologiche in connettività su larga scala funzionale a quella dell’EEG13,38,39 ,40,41, possiedono tuttavia insufficiente risoluzione temporale a caratterizzare la fase-ampiezza di accoppiamento in Alfa (8-13 Hz) EEG band ed altri fenomeni dinamici che stanno emergendo come importanti firme di azione anestetica12,42. Inoltre, queste misure non valutare direttamente l’attività neurale elettromagnetica43.
Pertanto, al fine di progredire significativamente la comprensione dei processi macroscopici associata all’azione degli anestetici, le limitazioni delle indagini precedentemente menzionate devono essere affrontati; la copertura limitata di agenti anestetici e l’insufficiente risoluzione spazio-temporale delle misurazioni non invasive. Su questa base, gli autori delineano un metodo per registrare simultaneamente magnetoencephalogram (MEG) e attività di EEG in volontari sani che è stato sviluppato per la somministrazione degli agenti anestetici dissociativi gassosi, Xe e N2O.
Il MEG è utilizzato come è la tecnica neurofisiologica solo non-invasiva diverso da EEG che propone una risoluzione temporale della gamma di millisecondo. EEG ha il problema di sfocatura dei campi elettrici di cranio, che agisce come un filtro passa-basso su attività corticale generata, mentre MEG è molto meno sensibile a questo problema e la questione del volume di conduzione44. Si può argomentare che MEG ha superiore spaziale e precisione di localizzazione rispetto EEG 45,46di origine. EEG non consente registrazione vero riferimento37,47, tuttavia fa MEG. Sistemi di MEG anche in genere registrare attività corticale in una gamma molto più ampia di frequenza di EEG, tra cui alta gamma48(in genere 70-90 Hz), che sono stati suggeriti per essere coinvolto negli effetti ipnotici degli agenti anestetici compreso Xe29 e N 2 O28. Il MEG offre attività neurofisiologica che complimenta che veicolato da EEG, come attività EEG riguarda a correnti elettriche extracellulare, mentre MEG riflette principalmente i campi magnetici generati da correnti intracellulari46, 49. Inoltre, MEG è particolarmente sensibile alle attività elettrofisiologica tangenziale alla corteccia, mentre EEG registra principalmente attività extracellulare radiale per la corteccia49. Combinando così dati EEG e MEG ha vantaggi Super-additivo50.
Gli agenti gassosi dissociativi Xe e N2O sono stati scelti per i seguenti motivi di principio: sono inodore (Xe) o essenzialmente inodore (N2O) e così può facilmente essere utilizzati in presenza di condizioni di controllo quando impiegato presso concentrazioni sub-cliniche. Inoltre, si adattano bene per amministrazione remota e il monitoraggio in un ambiente di laboratorio a causa della loro debole cardio-respiratorio effetti depressivi61. Xeno e a una minore misura N2O, mantenere un minimo relativamente basso-alveolare – concentrazione-(MAC)-svegli alle quali il 50% dei pazienti diventano non risponde a un comando verbale con valori di 32,6 ± 6,1%51 e52 di 63,3 + – 7,1% rispettivamente. Nonostante Xe e N2O entrambi essendo antagonisti del recettore NMDA, si modulano l’EEG in modo diverso – Xe si comporta più come un tipico agente di GABAergic quando monitorati utilizzando il Bispectral Index33,53,54 (uno dei diversi approcci utilizzati per monitorare electroencephalographically profondità dell’anestesia). Al contrario, N2O produce un effetto di electroencephalographic molto meno apparente in quanto è male, se a tutti, monitorati utilizzando il Bispectral Index26. Perché Xe ha diverse proprietà electroencephalographic riferite agli altri agenti dissociativi, ma possiede caratteristiche simili agli agenti GABAergici più comunemente studiate, relativo studio elettrofisiologico ha il potenziale per rivelare importanti caratteristiche riguardanti i correlati neurali della coscienza e le modifiche di rete funzionale corrispondente. Gli agenti che agiscono presso il recettore NMDA sono probabili rivelano più circa le reti di cervello che subserve coscienza normale e alterata, dato il ruolo critico che recettore NMDA mediato attività svolge in apprendimento e memoria e il suo ruolo implicato in una gamma di disturbi psichiatrici che includono depressione e schizofrenia80.
Questa carta si concentra principalmente sulla procedura di raccolta dati esigenti e complessi connessa con la consegna degli agenti anestetici gassosi in un ambiente non ospedaliero mentre simultaneamente registrazione EEG e MEG. Analisi di dati di base a livello di sensore è delineata e sono forniti dati di esempio che illustrano che le registrazioni ad alta fedeltà possono essere ottenute con il minimo movimento della testa. Molti metodi di potenziali fonte successiva imaging e/o funzionali analisi connettività che verrebbe in genere eseguita utilizzando questo tipo di dati non sono descritte, come questi metodi sono descritti bene nella letteratura e dimostrano varie opzioni per analisi55,56.
Protocol
Representative Results
Discussion
Questa carta ha delineato un protocollo completo per la registrazione simultanea di EEG e MEG durante la consegna di gas anestetico con N2O e Xe. Tale protocollo sarà prezioso per lo studio delle correlazioni neurali elettromagnetiche di anestetico-indotto riduzioni nella coscienza. Il protocollo prevede inoltre di generalizzare per la consegna di altri gas anestetici quali sevoflurano o isoflurano. Questo faciliterà una maggiore comprensione dei meccanismi comuni, specifiche e distinte macroscopici che sott…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori vorrei ringraziare meloni Cameron Bradley, Rachel Anne Batty e Johanna Stephens per assistenza tecnica preziosa con raccolta dati MEG. Grazie sono inoltre esteso a Dr. Steven Mcguigan per supporto come un secondo anestesista. Paige Pappas se inestimabile infermiera anestetico svista. Markus Stone gentilmente offerto suo tempo e la competenza in editing e riprese il protocollo. Dottor Suresh Muthukumaraswamy ha dato consulenza specifica in materia di analisi dei dati e l’interpretazione dei risultati. Infine, Jarrod Gott molti hanno contribuito a stimolare la discussione, aiutato nell’esecuzione di una serie di esperimenti pilota e fu centrale nella progettazione della schiuma testa tutore.
Questa ricerca è stata sostenuta da una sovvenzione collaborativa James S. McDonnell #220020419 “Ricostruire la coscienza” assegnata 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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