在健康志愿者中给予气体麻醉剂氙气和一氧化二氮期间记录脑电磁活动

摘要

同步进行脑磁图和脑电图检测为研究不同麻醉剂诱导意识降低的共同与特异性宏观机制提供了有力工具。本文阐述了在吸入一氧化二氮和氙气诱导的N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受体拮抗剂类麻醉状态下，对健康人类受试者进行此类数据记录的实验方法。

摘要

麻醉被认为为研究全局意识/无意识的神经相关性提供了少数系统性方法之一。然而迄今为止，大多数针对人类的神经影像学或神经生理学研究主要集中于以γ-氨基丁酸（GABA）受体激动剂为基础的麻醉剂，而对解离性N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受体拮抗剂类麻醉剂——氯胺酮、一氧化二氮（N₂O）和氙气（Xe）——的作用仍知之甚少。本文描述了在健康男性吸入气体麻醉剂N₂O和Xe期间，同步记录脑磁图（MEG）和脑电图（EEG）的方法。结合MEG与EEG数据，可在高时间分辨率和中等空间分辨率下评估麻醉期间的脑电磁活动。本文介绍了一套经过多次记录会话优化的详细实验方案，包括受试者招募、在MEG扫描室内设置麻醉设备、数据采集及基础数据分析。在此方案中，每位参与者采用重复测量交叉设计，接受不同浓度的Xe和N₂O暴露。在完成相关基线记录后，参与者将依次吸入逐步增加浓度的Xe（8%、16%、24%和42%）和N₂O（16%、32%和47%），并在过程中通过听觉连续执行任务（aCPT）监测其反应水平。本文展示了多组记录结果，以突出原始数据在传感器层面的特性、频谱拓扑分布、头部运动的最小化，以及听觉诱发电位随麻醉深度明确依赖性的变化效应。该范式提出了一种通用方法，用于记录不同类型气体麻醉剂作用下相关的电磁信号，且可轻松调整用于挥发性及静脉注射麻醉剂的研究。预计该方法可通过拓展至源空间成像和功能网络分析等方法学手段，促进对麻醉宏观作用机制的理解。

引言

临床前与临床神经科学证据之间存在广泛共识，表明人类意识现象依赖于明确神经回路的完整性。观察发现，这些神经回路在进入无意识状态的过程中会受到系统性影响，这进一步证实了在麻醉期间使用神经影像技术的必要性，从而能够“引导”对意识神经关联机制的探索。除睡眠外，麻醉几乎是唯一一种可在受控、可逆且可重复的条件下干扰并进而剖析意识机制的方法，尤其是在全脑动态的宏观尺度上。临床上，全身麻醉可定义为一种包含催眠/无意识、不动性和镇痛的状态，至今仍是应用最广泛且最安全的医学干预手段之一。尽管其最终效果明确且高效，但对于各类麻醉药物导致无意识状态的作用机制，目前仍存在巨大不确定性¹。

麻醉药可分为静脉麻醉药（如丙泊酚和巴比妥类药物）和挥发性/气体麻醉药（如七氟烷、异氟烷、一氧化二氮（N₂O）和氙气（Xe））。麻醉药理学已得到充分研究，已鉴定出多个与麻醉作用相关的细胞靶点。迄今为止研究的大多数药物主要通过激活γ-氨基丁酸（GABA）受体介导的活性发挥作用。相比之下，解离性麻醉药氯胺酮、氙气（Xe）和一氧化二氮（N₂O）被认为主要通过作用于N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）谷氨酸能受体而产生效应^2,3。其他重要的药理学靶点包括钾离子通道、乙酰胆碱受体以及剩余的谷氨酸受体AMPA和红藻氨酸受体，但....

方案

题为“吸入氙气（Xe）和一氧化二氮（N₂O）对脑电图（EEG）和脑磁图（MEG）记录的脑活动的影响”的研究已获得阿尔弗雷德医院和斯威本科技大学伦理委员会批准（批准编号：260/12），并符合《人类研究伦理行为国家声明》（2007年）的要求。

1. 受试者选择与研究前要求

1. 进行访谈，筛选年龄在20至40岁之间的健康右利手成年男性。
   1. 通过获取参与者的体重指数（BMI）以及确认无磁共振成像（MRI）或脑磁图（MEG）检查的禁忌症（如体内植入金属异物），并收集详细的病史资料（包括既往手术史，尤其是对全身麻醉有任何不良反应者，此类人员将被排除），以确认其总体健康状况良好。
   2. 明确排除近期使用过精神活性药物或其他处方药的个体，同时确保无娱乐性药物使用史，并排除任何神经系统疾病、癫痫、心脏疾病、睡眠呼吸暂停、晕动病及幽闭恐惧症。由于后续需使用麻醉面罩并确保良好的密闭性，因此应排除蓄有浓密胡须的参与者，除非其愿意剃须。
      注意：由于已有文献报道月经周期⁵⁷和/或年龄极端情况会对静息态MEG/EEG信号产生影响，且女性对恶心和呕吐的易感性更高⁵⁸，因此排除女性参与者。
2. 遵循澳大利亚和新西兰麻醉医师学院（ANZCA）指南（文件PS15）中规定的日间全身麻醉....

结果

本部分利用一名受试者的数据，以展示同步记录的典型特征，以及此类信息在增进对麻醉药诱导的意识状态改变理解方面的潜力。为简化阐述，结果展示如下：i) 抗恶心药物给药后基线期（基线3）的记录，ii) N₂O（47%）和 Xe（24%）达到 0.75 等效MAC清醒峰值气体浓度（3级），以及 iii) Xe 气体浓度达到 42%（4级）。选择3级和4级，是因为它们分别是 N₂O 和 Xe 所考虑的最高稳态水平。此外，4级Xe浓度会引发明显的反应性丧失，而这种状态在N₂O中通常难以实现。

为了清晰地展示头部运动的程度，多次记录过程中所有5个HPI线圈的绝对位置随时间的变化情况如图所示。图4清楚表明，尽管进行了药物干预，但通过所采取的步骤限制扫描期间的运动，头部和身体的运动仍处于可接受水平。在20-25分钟之间（洗脱期期间）可观察到明显的大.......

讨论

本文概述了一种在使用一氧化二氮（N₂O）和氙气（Xe）麻醉气体给药期间同步记录脑磁图（MEG）和脑电图（EEG）的全面方案。该方案对于研究麻醉诱导意识降低过程中的电磁神经相关性具有重要价值。该方案还可推广至其他麻醉气体（如七氟烷或异氟烷）的给药过程，有助于更深入理解多种麻醉药物在导致意识降低时所共有的、特异的及不同的宏观作用机制，尽管这些药物在分子作用方式和靶点上存在显著差异。阐明麻醉药物的作用机制，无疑是神经科学领域尚未解决的重大难题之一，也可能是理解行为神经化学基础的关键所在。

所展示的示例结果与先前研究中关于麻醉剂诱导的脑电图功率谱变化的结果完全一致，从而验证了我们所开发并概述的实验方案的可靠性。在给予一氧化二氮（N₂O）的情况下，上述结果与以往观察到的高吸入浓度 N₂O（>40%）引起脑电图中 delta、theta 和 alpha 频段功率下降的现象相符^25,28,

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Neuromag TRIUX 306通道MEG系统	Elekta Oy，斯德哥尔摩，瑞典	N/A
Polhemus Fastrak 3D 系统	美国佛蒙特州波尔赫姆斯	N/A
MEG 兼容 ER-1 插入式耳机	Etymotic Research Inc.，伊利诺伊州，美国	N/A
低密度泡沫头帽，兼容 MEG	N/A	N/A	由研究团队定制制作
Harness，MEG 兼容	N/A		长约3米、宽约5厘米的布质/黄麻条带，用于固定受试者在MEG椅上的位置
Ambu Neuroline 720 单次使用表面电极	Ambu，哥本哈根，丹麦	72015-K10
3.0T TIM Trio MRI 系统	西门子股份公司，德国埃尔朗根	N/A
Asalab 放大器系统	ANT Neuro，恩斯赫德，荷兰	N/A	该系统已停止生产，并已弃用，改为使用64通道eego EEG放大器
64通道Waveguard EEG帽，兼容MEG	ANT Neuro，恩斯赫德，荷兰	CA-138	尺寸 中等
磁屏蔽无线电池盒	ANT Neuro，恩斯赫德，荷兰	N/A	制造商未提供磁屏蔽 – 经研究团队修改
OneStep ClearGel 电极胶	H+H 医疗产品有限责任公司，明斯特，德国	154547
Akzent Xe Color 麻醉机	Stephan GmbH，Gackenbach，德国	N/A
欧姆龙 M6-Comfort 血压计	欧姆龙健康医疗，京都，日本	N/A
氙气（纯度99.999%）	Coregas，托马斯敦，维多利亚州，澳大利亚	N/A	我们估计每位参与者大约使用 40 L（SATP）
医用一氧化二氮	Coregas，汤姆斯敦，维多利亚州，澳大利亚	N/A	x2 G 型气瓶
医用氧气	Coregas，汤姆斯敦，维多利亚州，澳大利亚	N/A	x2 G 型气瓶
医用空气	Coregas，汤姆斯敦，维多利亚州，澳大利亚	N/A	2个G型气瓶
过滤呼吸器 & 带有二氧化碳监测端口的HMES低流量麻醉省气系统	美国明尼苏达州美敦力公司	352/5805
杨克成人高型	美国明尼苏达州，美敦力公司	8888-502005
Quadralite EcoMask 麻醉面罩	Intersurgical 澳大利亚有限公司	7093000/7094000	3号和4号
一次性吸液瓶 1200 mL Medival Guardian	美国俄亥俄州康德诺健康公司	65651-212
导管延长接头 4-13 厘米，带  90A 弯头	美国明尼苏达州，美敦力公司	330/5667
导管 IV Optiva 24g × 19 mm 黄色 直头 不锈钢	美国明尼苏达州史密斯医疗	5063-INT
地塞米松 Mylan 注射液小瓶（4 mg/1 mL）	Alphapharm Pty Ltd，悉尼，澳大利亚	400528517
昂丹司琼（4 mg/2 mL）	Alphapharm Pty Ltd，悉尼，澳大利亚	400008857
医疗抢救车			医疗复苏车的配置符合该文件中建议的成人复苏最低要求 "复苏标准：临床实践与教育；2014年6月）由澳大利亚和新西兰复苏委员会制定，并获得包括澳大利亚和新西兰麻醉医师学院在内的多个专业医疗保健组织的明确支持。  包括所有必要的气道和循环设备，以及相关的药物制剂，可在非临床环境中实施完整的心肺复苏和支持。  完整详情请见 https://resus.org.au/standards-for-resuscitation-clinical-practice-and-education/
Maxfilter 版本 2.2	Elekta Oy，斯德哥尔摩，瑞典	N/A	Elekta Neuromag TRIUX MEG 系统配套的数据分析软件