Opname elektromagnetische hersenactiviteit tijdens de toediening van de gasvormige verdoving agenten Xenon en nitreuze Oxide bij gezonde vrijwilligers

Summary

Gelijktijdige Liquor en elektro-encefalografie biedt een nuttig instrument om te zoeken naar gemeenschappelijke en duidelijke macroschaal mechanismen van reducties in bewustzijn geïnduceerd door verschillende verdoving. Deze paper toont de empirische methodes ten grondslag liggen aan de opname van dergelijke gegevens van gezonde mensen tijdens N-Methyl-D-Aspartate-(NMDA)-receptor-antagonist-based verdoving tijdens inademing van distikstofoxide (lachgas) en xenon.

Abstract

Anesthesie biedt misschien wel een van de slechts systematische manieren om te studeren van de neurale correlaten van mondiale bewustzijn/bewusteloosheid. Maar tot op heden de meeste neuroimaging of neurofysiologische onderzoeken bij de mens hebben beperkt tot de studie van γ-Amino-Butyric-Acid-(GABA)-receptor-agonist-based anesthetica, terwijl de effecten van Dissociatieve N-Methyl-D-Aspartate-(NMDA)- receptor antagonist-gebaseerde verdoving ketamine, lachgas (N₂van O) en xenon (Xe) zijn grotendeels onbekend. Dit document beschrijft de methoden die ten grondslag liggen aan de gelijktijdige opname van Liquor (MEG) en elektro-encefalografie (EEG) van de gezond mannetjes tijdens inademing van gasvormige verdoving agenten N₂O en Xe. Combineren van MEG en EEG gegevens maakt de beoordeling van elektromagnetische hersenactiviteit tijdens anesthesie bij hoge temporele en matige ruimtelijke, resolutie. Hier beschrijven we een gedetailleerd protocol, verfijnd over meerdere opnamesessies, waarin onderwerp werving, verdoving apparatuur setup in MEG scanner kamer, gegevensverzameling en analyse van de basisgegevens. In dit protocol wordt elke deelnemer blootgesteld aan verschillende niveaus van Xe en N₂O in een herhaalde maatregelen cross-over design. Aanleiding van relevante basislijn opnames deelnemers worden blootgesteld aan de stapsgewijze verhoging van geïnspireerd concentraties van Xe en N₂O van 8, 16, 24 en 42%, en 16, 32 en 47% respectievelijk, gedurende welke hun niveau van ontvankelijkheid wordt bijgehouden met een auditieve continue prestaties taak (aCPT). Resultaten worden gepresenteerd voor een aantal opnames wil de sensor-niveau-eigenschappen van de ruwe gegevens, de spectrale topografie, de minimalisering van de hoofdbewegingen en de ondubbelzinnige niveau afhankelijke effecten op de auditieve evoked respons. Dit paradigma beschrijft een algemene aanpak om de opname van elektromagnetische signalen die is gekoppeld aan het optreden van de verschillende soorten van gasvormige anesthetica, die gemakkelijk kunnen worden aangepast voor gebruik met vluchtige en intraveneuze verdoving agenten. Verwacht wordt dat de methode geschetst aan het inzicht in de mechanismen van de macro-schaal van de verdoving bijdragen kan doordat methodologische extensies waarbij bron ruimte beeldvorming en functionele netwerkanalyse.

Introduction

Er is goede consensus tussen pre-klinische en klinische neurowetenschappelijke aanwijzingen dat het fenomeen van het menselijke bewustzijn afhankelijk is van de integriteit van expliciete neurale circuits. De observatie dat dergelijke schakelingen systematisch worden beïnvloed door de afdaling tot bewusteloosheid heeft de behoefte aan neuroimaging technieken worden gebruikt tijdens de anesthesie en inschakelen ‘navigatie’ de zoektocht naar de neurale correlaten van onderbouwd bewustzijn. Met de mogelijke uitzondering van de slaap, verdoving vertegenwoordigt de enige methode waaraan men kan, in een beheerste, omkeerbare en reproduceerbare wijze erover en dus ontleden, de mechanismen waarmee sub bewustzijn, met name op de macroscopische schaal van global brain dynamics. Klinisch, narcose kan worden gedefinieerd als een staat van hypnose/bewusteloosheid, immobiliteit en analgesie en blijft een van de meest overvloedig gebruikte en veiligste medische ingrepen. Ondanks de duidelijkheid en efficiëntie in het eindresultaat blijft er grote onzekerheid met betrekking tot de mechanismen van de actie van de verschillende soorten stoffen die aanleiding geven tot verdoving geïnduceerde bewusteloosheid¹.

Verdoving kunnen worden onderverdeeld in intraveneuze agenten met name propofol en de barbituraten of volatile/gasvormige stoffen zoals Sevofluraan, Isofluraan, distikstofoxide (lachgas) (N₂van O) en xenon (Xe). De farmacologie van de verdoving al gevestigde met meerdere cellulaire doelen geïdentificeerd als gekoppeld aan verdoving actie. De meeste agenten studeerde tot datum voornamelijk via de agonisme Toetredingsakte γ-Amino-Butyric-Acid-(GABA) receptor gemedieerde activiteit. In contrast, de Dissociatieve agenten ketamine, worden Xe en N₂O verondersteld om te oefenen hun effecten door voornamelijk gericht op N-Methyl-D-Aspartate-(NMDA) glutamaterge receptoren^2,3. Andere belangrijke farmacologische doelstellingen bevatten kalium kanalen, acetylcholine-receptoren en het restant glutamaat receptoren, AMPA en kainate, maar de omvang van hun bijdrage aan de verdoving actie ongrijpbaar (Zie voor een uitgebreide review blijft ⁴).

De mate van variabiliteit in het werkingsmechanisme en de waargenomen fysiologische en neurologische effecten van de verschillende soorten agenten maakt de afleiding van de algemene conclusies over hun invloed op de verwerking van de bewuste moeilijk. Verlies van bewustzijn (LOC) geïnduceerd door GABAergic agenten wordt het doorgaans gekenmerkt door een globale verandering in hersenactiviteit. Dit is duidelijk in het ontstaan van hoge-amplitude, lagefrequentie-delta (δ, 0,5-4 Hz) golven en de vermindering van hoge frequentie, gamma (γ, 35-45Hz) activiteit in het electroencephalogram (EEG), vergelijkbaar met de trage Golf slaap^5,6 , evenals de grootschalige reducties in cerebrale bloed stroom en glucose metabolisme^{5,6,7,8,9,10,11,12} . Boveroux et al. ¹³ toegevoegd aan dergelijke waarnemingen door aan te tonen een significante afname van de rust van de functionele connectiviteit staat onder propofol verdoving met behulp van functionele magnetische resonantie imaging (fMRI). In tegenstelling, dissociatieve verdoving een minder opbrengst duidelijk profiel van effecten op de hersenactiviteit. In sommige gevallen zijn ze gekoppeld aan stijgingen van de cerebrale bloed stroom en glucose metabolisme^{14,15,16,17,18,19, 20,},²¹ , terwijl studies door Rex en collega’s²² en Laitio en collega’s^23,24 te kijken naar de effecten van Xe verstrekte bewijsmateriaal van zowel verhoogde vooruit en verminderde hersenen activiteit. Een gelijkaardige onregelmatigheid kan worden gezien in de effecten op de EEG signalen^25,26,27,28. Johnson et al.. ²⁹ aangetoond een toename van het totale vermogen van de lage frequentie banden delta en theta zo goed zoals in de hogere frequentie band gamma in een hoge dichtheid EEG studie van Xe anesthesie terwijl tegengestelde opmerkingen werden gemaakt voor N₂O in de delta, theta en Alfa frequentie^30,31 bands en voor Xe in de hogere frequenties³². Dergelijke variabiliteit in de effecten van Xe op de hoofdhuid van de elektrische activiteit kan worden waargenomen in de Alfa en beta twee frequentiegebieden met beide verhoogt ook³³ en verlagingen³⁴ worden gerapporteerd.

Ondanks de bovengenoemde verschillen, het beeld begint te worden consistenter over agenten wanneer men probeert om naar te kijken veranderingen in functionele connectiviteit tussen hersengebieden. Dergelijke maatregelen zijn echter overwegend beperkt tot modaliteiten die noodzakelijkerwijs concessies met betrekking tot ruimtelijke of temporele resolutie. Terwijl de studies met behulp van de EEG lijken te duidelijk, en tot op zekere hoogte overeenstemming, veranderingen in de topologische structuur van functionele netwerken tijdens anesthesie/sedatie met propofol³⁵, Sevofluraan³⁶ en N₂O³⁷, onthullen de sterk verdeelde niveau EEG sensorgegevens heeft onvoldoende ruimtelijke resolutie zinvol definiëren en de hoekpunten van de overeenkomstige functionele netwerken af te bakenen. Omgekeerd, studies met behulp van de superieure ruimtelijke resolutie van fMRI en positron emissie tomografie (PET), vinden soortgelijke topologische wijzigingen in grootschalige functionele connectiviteit aan die van EEG^{13,38,39 ,40,41}, echter onvoldoende temporele resolutie te karakteriseren van fase-amplitude-koppeling in de Alfa (8-13 Hz) EEG-band en andere dynamische verschijnselen die ontstaan als belangrijke handtekeningen van bezitten verdoving actie^12,42. Bovendien, deze maatregelen niet direct evalueren elektromagnetische neurale activiteit⁴³.

Daarom, om zinvol verder het begrip van de macroscopische processen gekoppeld aan het optreden van de verdoving, de beperkingen van de eerder genoemde onderzoeken moeten worden aangepakt; de beperkte dekking van verdoving agenten en de onvoldoende spatio-temporele resolutie van de niet-invasieve metingen. Op deze basis schetsen de auteurs een methode om tegelijkertijd record magnetoencephalogram (MEG) en EEG-activiteit bij gezonde vrijwilligers die is ontwikkeld voor het beheer van de gasvormige Dissociatieve verdoving agenten, Xe en N₂O.

De MEG wordt gebruikt als het is de techniek alleen niet-invasieve neurofysiologische dan de EEG die heeft doorgaans een temporele resolutie milliseconde. EEG heeft het probleem van de vervaging van de elektrische velden door de schedel, die als een low-pass filter op cortically gegenereerde activiteit, fungeert terwijl MEG veel minder gevoelig voor deze kwestie en de kwestie van volume geleiding^{44 is}. Het kan worden betoogd dat MEG hoger ruimtelijke en lokalisatie nauwkeurigheid dan EEG ^45,46bron. EEG staat geen echte referentie-gratis opname^37,47, maar MEG doet. MEG systemen meestal ook corticale activiteiten vastleggen in een veel breder frequentiebereik dan EEG, met inbegrip van hoge gamma⁴⁸(meestal 70-90 Hz), die zijn voorgesteld te worden betrokken bij de hypnotische effecten van verdoving agentia inclusief Xe²⁹ en N ₂ O²⁸. De MEG biedt neurofysiologische activiteit die die overgebracht door EEG, EEG-activiteit complimenten heeft betrekking op extracellulaire elektrische stromen terwijl MEG voornamelijk de magnetische velden die worden gegenereerd door intracellulaire stromingen^46, weerspiegelt ⁴⁹. Voorts MEG is bijzonder gevoelig voor elektrofysiologische activiteit raakvlak aan de cortex, terwijl EEG records meestal extracellulaire activiteit radiale tot en met de cortex-⁴⁹. Dus het combineren van MEG en EEG gegevens heeft Super additieve voordelen⁵⁰.

De gasvormige Dissociatieve agenten Xe en N₂O hebben gekozen om de volgende redenen van het principe: ze zijn geurloos (Xe) of in wezen geurloos (N₂O) en kan dus gemakkelijk worden gebruikt in de aanwezigheid van controlevoorwaarden wanneer werksaam by subklinisch concentraties. Daarnaast zijn ze goed geschikt voor extern beheer en controle in een labo-omgeving als gevolg van hun zwakke cardio-respiratoire depressieve effecten⁶¹. Xenon en een mindere mate N₂O, behouden een relatief lage minimum-alveolaire – concentratie-(MAC)-wakker op welke 50% van de patiënten een mondelinge opdracht met waarden van 32.6 ± 6,1%⁵¹ en⁵² van de 63.3 + – 7,1% respectievelijk reageert. Ondanks Xe en N₂O zowel NMDA receptorantagonisten, moduleren zij de EEG anders – Xe lijkt te gedragen zich meer als een typische GABAergic agent wanneer gecontroleerd met behulp van de Bispectral Index^33,53,54 (één van verschillende benaderingen gebruikt om te controleren electroencephalographically diepte van verdoving). In tegenstelling, produceert N₂O een veel minder herkenbaar electroencephalographic effect in die zin dat het slecht, als helemaal gecontroleerd met behulp van de Bispectral Index²⁶. Omdat Xe verschillende gerapporteerde electroencephalographic eigenschappen aan de andere Dissociatieve agenten heeft, maar beschikt over vergelijkbare kenmerken aan de meer algemeen bestudeerde GABAergic agentia, heeft haar elektrofysiologische studie het potentieel om het onthullen van belangrijke functies met betrekking tot de neurale correlaten van bewustzijn en de overeenkomstige wijzigingen in het functionele netwerk. Agenten die op de NMDA-receptor handelen dreigen te onthullen meer over de hersenen netwerken die subserve normale en veranderd bewustzijn, gezien de essentiële rol die NMDA receptor gemedieerde activiteit speelt bij het leren en geheugen en haar geïmpliceerd rol in een aantal psychiatrische stoornissen zoals schizofrenie en depressie⁸⁰.

Dit artikel richt zich vooral op de veeleisende en complexe gegevens verzameling procedure die is gekoppeld aan de levering van gasvormige verdoving agenten in een extramurale omgeving tijdens het gelijktijdig opnemen van MEG en EEG. Basisgegevens analyses op het niveau van de sensor is beschreven en vindt u voorbeeldgegevens illustreren dat HiFi-opnamen met minimale hoofd verkeer kunnen worden verkregen. De vele mogelijke manieren voor latere beeldvorming en/of functionele connectiviteit Bronanalyse die zou worden meestal uitgevoerd met behulp van dit soort gegevens worden niet beschreven, zoals deze methoden goed in de literatuur beschreven worden en tonen van de verschillende opties voor analyse^55,56.

Protocol

De studie getiteld “Effecten van ingeademd Xe en N2O op hersenactiviteit opgenomen met behulp van EEG en MEG” goedgekeurd (erkenningsnummer: 260/12) door de Alfred Hospital en Swinburne University of Technology ethisch comité en voldoet aan de eisen van de nationale Verklaring over ethisch gedrag in menselijke onderzoek (2007). 1. deelnemers selectie en voorstudie eisen Het gedrag van een interview Schakel gezonde, rechtshandige, volwassen mannen tussen de leeftijden van …

Representative Results

In deze sectie maakt gebruik van gegevens die zijn verkregen uit één onderwerp om aan te tonen van de typische kenmerken van de gelijktijdige opnamen en het potentieel van deze informatie om bij te dragen voor een beter begrip van verdoving geïnduceerde veranderde staten van bewustzijn. Ter vereenvoudiging van de expositie, resultaten worden weergegeven voor i) opnames van de na-anti-braakmiddel administratie basislijn (basislijn 3), ii) 0,75 equi-MAC-wakker gas piekconcentraties (nive…

Discussion

Dit papier heeft een uitgebreide protocol voor de gelijktijdige opname van MEG en EEG tijdens verdoving gas levering met N₂O en Xe geschetst. Zo’n protocol zullen waardevol voor het bestuderen van de elektromagnetische neurale correlaten van verdoving-geïnduceerde reducties in bewustzijn zijn. Het protocol wordt ook verwacht om te generaliseren naar de levering van andere verdoving gassen zoals Sevofluraan of Isofluraan. Dit vergemakkelijkt een beter inzicht in de algemene, specifieke en verschillende macrosc…

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