Enregistrement activité électromagnétique du cerveau au cours de l’Administration des Agents anesthésiques gazeux Xenon et l’oxyde nitreux chez des volontaires sains
Summary
Électroencéphalographie et magnétoencéphalographie simultanée fournit un outil utile pour rechercher des mécanismes distincts et communs macro-échelle de réductions dans la conscience induite par différents anesthésiques. Cet article illustre les méthodes empiriques qui sous-tend l’enregistrement de ces données chez l’homme sain pendant l’anesthésie de N-Methyl-D-Aspartate-(NMDA)-receptor-antagonist-based pendant l’inhalation d’oxyde nitreux et de xénon.
Abstract
L’anesthésie fournit sans doute une des façons seulement systématiques pour étudier les corrélats neurones de conscience/inconscience globale. Mais à ce jour la plupart neuro-imagerie ou études neurophysiologiques chez l’humain ont été limités à l’étude des anesthésiques γ-Amino-Butyric-Acid-(GABA)-receptor-agonist-based, alors que les effets de la dissociation N-Methyl-D-Aspartate-(NMDA)- anesthésiques récepteur dotés d’antagoniste de la kétamine, l’oxyde nitreux (N2O) et le xénon (Xe) sont en grande partie inconnus. Cet article décrit les méthodes qui sous-tendent l’enregistrement simultané de la magnétoencéphalographie (MEG) et de l’électroencéphalographie (EEG) d’hommes en bonne santé pendant l’inhalation des agents anesthésiques gazeux N2O et Xe. En combinant les données MEG et EEG permet l’évaluation de l’activité cérébrale électromagnétique lors d’une anesthésie à haute résolution spatiale, temporelle et modérée. Nous décrivons ici un protocole détaillé, affiné au cours de plusieurs sessions d’enregistrement, qui inclut le recrutement des sujets, l’installation de matériel d’anesthésie dans la salle de scanner de MEG, la collecte et l’analyse de la base de données. Dans le présent protocole, chaque participant est exposé à différents niveaux de Xe et N2O dans un design reglable de mesures répétées. Suite de base pertinente enregistrements participants sont exposés à l’augmentation de lavage inspiré des concentrations de Xe et N2O de 8, 16, 24 et 42 % et 16, 32 et 47 % respectivement, au cours de laquelle leur degré de réactivité est suivi avec un auditif tâche continue de la performance (aCPT). Résultats sont présentés pour un certain nombre d’enregistrements pour mettre en évidence les propriétés au niveau du capteur de données brutes, la topographie spectrale, la minimisation des mouvements de la tête et les effets dépendants niveau sans équivoque sur les réponses évoqués auditifs. Ce paradigme décrit une approche générale de l’enregistrement des signaux électromagnétiques associés à l’action des différents types de gazeuses anesthésiques, qui peuvent être facilement adaptées pour être utilisé avec des agents anesthésiques volatils et par voie intraveineuse. Il est prévu que la méthode décrite peut contribuer à la compréhension des mécanismes macro-échelle de l’anesthésie par l’activation des extensions méthodologiques imagerie spatiale de source et d’analyse de réseau fonctionnel.
Introduction
Il y a bon consensus entre les preuves neuroscientifiques pré-cliniques et cliniques suggérant que le phénomène de la conscience humaine dépend de l’intégrité des circuits neuraux explicites. L’observation que ces circuits sont systématiquement influencées par la descente dans l’inconscience a justifié la nécessité pour les techniques de neuroimagerie être utilisés pendant l’anesthésie et permettre « navigation » les corrélats neurones de la recherche conscience. À l’exception peut-être du sommeil, anesthésie représente le seul moyen par lequel on peut, de façon contrôlée, réversible et reproductible, perturber et donc disséquer, les mécanismes qui servent sous la conscience, en particulier à l’échelle macroscopique de dynamique du cerveau global. Cliniquement, l’anesthésie générale peut être défini comme un état d’hypnose/inconscience, immobilité et analgésie et demeure l’une des interventions médicales les plus abondamment utilisées et la plus sûres. Malgré la clarté et l’efficacité dans le résultat final, il reste grande incertitude quant aux mécanismes d’action des différents types d’agents donnant naissance à l’inconscience induite anesthésique1.
Les anesthésiques peuvent être divisés en agents intraveineux notamment propofol et les barbituriques ou des agents volatils/gazeux comme sevoflurane, isoflurane, l’oxyde nitreux (N2O) et le xénon (Xe). La pharmacologie de l’anesthésie a été bien établie avec plusieurs cibles cellulaires identifiés comme lié à l’action anesthésique. La plupart des agents a étudié à date acte principalement par l’intermédiaire de l’agonisme de γ-Amino-Butyric-Acid-(GABA) l’activité médiée par le récepteur. En revanche, la kétamine agents dissociatifs, Xe et N2O sont censés exercer leurs effets en ciblant principalement les N-Methyl-D-Aspartate-(NMDA) glutamatergique récepteurs2,3. Autres cibles pharmacologiques importantes incluent les canaux potassiques, l’acétylcholine et les récepteurs de glutamate de vestige, AMPA et kaïnate, toutefois l’étendue de leur contribution à l’action anesthésique demeure insaisissable (pour un examen complet, voir ( 4).
La mesure de la variabilité dans le mécanisme d’action et les effets physiologiques et neurones observés des différents types d’agents complique la dérivation des conclusions générales sur leur influence sur le traitement conscient. Perte de conscience (LOC) induite par les agents GABAergiques est généralement caractérisée par un changement global dans l’activité cérébrale. Cela est évident dans l’émergence de grande amplitude, basse fréquence delta (δ, 0,5 à 4 Hz) vagues ainsi que la réduction à haute fréquence, activité gamma (γ, 35 à 45Hz) à l’électroencéphalographie (EEG), similaire à onde lente dorment5,6 ainsi que la réduction généralisée des sanguin cérébral flux et glucose métabolisme5,6,7,8,9,10,11,12 . Boveroux et al. 13 ajouté à ces observations, en démontrant une diminution significative au repos la connectivité fonctionnelle État sous anesthésie de propofol à l’aide d’imagerie de résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). En revanche, les anesthésiques dissociatifs donnent un moins désactivez le profil des effets sur l’activité cérébrale. Dans certains cas, ils sont associés à des augmentations sanguin cérébral flux et glucose métabolisme14,15,16,17,18,19, 20,21 , tandis que des études réalisées par Rex et ses collègues22 et Laitio et ses collègues de23,24 en regardant les effets de la Xe fourni la preuve des deux augmente et diminue le cerveau activité. Une irrégularité similaire peut être vu dans les effets sur les EEG signaux25,26,27,28. Johnson et al. 29 a démontré une augmentation de la puissance totale du basse fréquence bandes delta et theta ainsi que dans le gamma de bande fréquence plus élevée dans une forte densité étude EEG de l’anesthésie Xe tandis que des observations défavorables ont été faites pour N2O dans le delta, thêta et bandes de fréquences alpha30,31 et Xe dans le plus élevé de fréquences32. Cette variabilité dans les effets du Xe sur l’activité électrique de cuir chevelu peut être observée dans l’alpha et les gammes de fréquences bêta avec les deux augmente également33 et réductions34 rapportées.
Malgré les écarts mentionnés ci-dessus, l’image commence à devenir plus cohérente dans l’ensemble des agents lorsqu’on essaie de regarder les altérations dans la connectivité fonctionnelle entre les zones du cerveau. Ces mesures, cependant, ont été principalement limités aux modalités qui nécessairement faire des concessions en ce qui concerne la résolution spatiale ou temporelle. Bien que les études utilisant l’EEG semblent révéler clairement et dans une certaine mesure cohérente, changements dans la structure topologique des réseaux fonctionnels au cours de l’anesthésie/sédation par propofol35, sévoflurane36 et N2O37, le largement espacées capteur niveau données EEG ont une résolution spatiale insuffisante utilement définir et délimiter les sommets des réseaux fonctionnels correspondants. À l’inverse, des études utilisant la résolution spatiale supérieure d’IRMf et par émission de positrons (TEP), trouver des altérations topologiques semblables en connectivité fonctionnelle à grande échelle à celle de l’EEG13,38,39 ,40,41, possèdent cependant une résolution temporelle insuffisante pour caractériser la phase-amplitude de couplage dans la bande alpha de (8 à 13 Hz) EEG et d’autres phénomènes dynamiques qui émergent comme signatures importantes de action anesthésique12,42. En outre, ces mesures n’évaluent pas directement l’activité neurale électromagnétique43.
Par conséquent, afin de véritablement faire progresser la compréhension des processus macroscopiques associée à l’action des anesthésiques, les limitations des enquêtes mentionnées précédemment doivent être abordés ; la couverture restreinte des agents anesthésiques et la résolution spatio-temporelle insuffisante des mesures non invasives. Sur cette base, les auteurs décrivent une méthode pour enregistrer simultanément magnetoencephalogram (MEG) et l’activité EEG chez des volontaires sains qui a été développée pour l’administration des agents anesthésiques dissociatifs gazeux, Xe et N2O.
Le MEG est utilisé comme c’est la technique non invasive seulement neurophysiologique autres que l’EEG qui a une résolution temporelle de l’ordre de la milliseconde. EEG a le problème de flou de champs électriques par le crâne, qui agit comme un filtre passe-bas sur activité corticalement généré, tandis que MEG est beaucoup moins sensible à cette question et la question du volume de conduction44. On peut affirmer que MEG a plus spatiale et source de précision de la localisation que EEG 45,46. EEG ne permet pas de vrai enregistrement sans référence37,47, mais fait de MEG. Systèmes MEG a aussi généralement enregistrent l’activité corticale dans une gamme de fréquences beaucoup plus large que l’EEG, y compris les gamma élevés48(généralement 70-90 Hz), qui ont été proposés d’être impliqués dans les effets hypnotiques des agents anesthésiques notamment Xe29 et N 2 O28. Le MEG propose activité neurophysiologique qui complimente qui véhiculé par EEG, comme l’activité EEG est liée à des courants électriques extracellulaires tandis que MEG reflète principalement les champs magnétiques générés par des courants intracellulaire46, 49. en outre, MEG est particulièrement sensible aux activité électrophysiologique tangentielle au cortex, tandis que l’EEG enregistre principalement l’activité extracellulaire radiale pour le cortex49. Fusionnant ainsi données MEG et EEG a avantages Super additif50.
Les agents dissociatifs gazeux Xe et N2O ont été choisis pour les raisons de principe suivante : ils sont sans odeur (Xe) ou essentiellement inodore (N2O) et donc peut facilement être utilisés en présence de conditions de contrôle lorsqu’ils travaillent à concentrations infracliniques. En outre, ils sont bien adaptés pour l’administration à distance et le contrôle dans un environnement de laboratoire en raison de leurs faibles effets dépresseurs cardio-respiratoires61. Xénon et à un moindre degré N2O, retenir au moins relativement faible-alvéolaires – concentration-(MAC)-éveillé à laquelle 50 % des patients répondait à une commande verbale avec des valeurs de 32,6 ± 6,1 %51 et 63,3 + – 7,1 %52 respectivement. Malgré les Xe et N2O fois étant antagonistes des récepteurs NMDA, ils modulent l’EEG différemment – Xe semble se comporter plus comme un agent GABAergique typique lorsque surveillées à l’aide de le Bispectral Index33,53,54 (l’une des différentes approches utilisées pour surveiller electroencephalographically profondeur de l’anesthésie). En revanche, N2O produit un effet électro-encéphalographiques beaucoup moins évident en ce que c’est mal, si, surveillées à l’aide de l’ Bispectral Index26. Parce que Xe a des propriétés différentes de technologues en électroencéphalographie signalées aux autres agents dissociatifs, mais possède des caractéristiques similaires aux agents GABAergiques plus communément étudiés, son étude électrophysiologique a le potentiel pour révéler important caractéristiques relatives aux corrélats neurones de la conscience et les changements correspondants de réseau fonctionnel. Agents qui agissent sur les récepteurs de NMDA sont susceptibles de révéler plus sur les réseaux de cerveau qui favorisent la conscience normale et altérée, étant donné le rôle essentiel que médiée par le récepteur NMDA activité joue dans l’apprentissage et de mémoire et de son rôle impliquée dans une gamme de troubles psychiatriques qui incluent la schizophrénie et la dépression80.
Cet article se concentre principalement sur la procédure de collecte données exigeant et complexe, associée à la livraison des agents anesthésiques gazeux en milieu non hospitalier tout en enregistrant simultanément MEG et EEG. Analyse des données de base au niveau du capteur est exposé et données exemple sont fournies qui illustrent que les enregistrements haute fidélité peuvent être obtenus avec mouvement minime de la tête. Les nombreuses méthodes potentielles de source ultérieure d’imagerie et/ou fonctionnelle connectivité analyse qui serait généralement effectuée à l’aide de ce type de données ne sont pas décrits, car ces méthodes sont bien décrites dans la littérature et de démontrent les différentes options pour analyse55,56.
Protocol
Representative Results
Discussion
Cet article a décrit un protocole complet pour l’enregistrement simultané de MEG et EEG pendant la livraison gaz anesthésique N2O et Xe. Un tel protocole seront utile pour étudier les corrélats neurones électromagnétiques des réductions induite par l’anesthésie en conscience. Le protocole devrait également de généraliser à la livraison des autres gaz anesthésiques tels que sévoflurane ou l’isoflurane. Cela facilitera une meilleure compréhension des mécanismes macroscopiques communes, sp?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs tiens à remercier Mahla Cameron Bradley, Rachel Anne Batty et Johanna Stephens pour assistance technique précieuse avec la collecte de données de MEG. Par ailleurs nous remercions Dr Steven Mcguigan soutien comme un deuxième anesthésiste. Paige Pappas a supervisé de l’infirmière anesthésique inestimable. Markus Stone offerte gracieusement son temps et son expertise en montage et tournage du protocole. M. Suresh Muthukumaraswamy a donné des conseils spécifiques concernant l’analyse des données et l’interprétation des résultats. Enfin, Jarrod Gott beaucoup contribué une discussion stimulante, aidé dans l’exécution d’un certain nombre d’expériences pilotes et a été central dans la conception de l’orthèse tête de mousse.
Cette recherche a été financée par une subvention de collaboration de James 220020419 # « Reconstruire la conscience » attribuée à George Mashour, Michael Avidan, Max Kelz et 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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