Name: 在健康志愿者的气体麻醉剂氙和一氧化二氮的管理中记录大脑电磁活动 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-01-13T14:00:00.000+00:00
Duration: 14 min 52 s
Description: 了解使用同步脑磁图和脑电图记录健康志愿者在氙气和一氧化二氮麻醉下大脑电磁活动变化的方法。该技术有助于研究麻醉诱导意识降低的神经机制。

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作者谨此感谢Mahla Cameron Bradley、Rachel Anne Batty和Johanna Stephens在MEG数据采集过程中提供的宝贵技术支持。同时感谢Steven Mcguigan博士作为第二名麻醉医师给予的支持。Paige Pappas提供了极为重要的麻醉护理监督。Markus Stone慷慨地贡献了其时间和专业知识，协助本实验方案的编辑与拍摄。Suresh Muthukumaraswamy博士就数据分析及结果解释提供了具体建议。最后，Jarrod Gott参与了诸多富有启发性的讨论，协助完成了多项预实验，并在泡沫头托的设计中发挥了核心作用。
本研究得到了詹姆斯·S·麦克唐纳合作研究基金 #220020419“重建意识”的资助，该基金授予了 George Mashour、Michael Avidan、Max Kelz 和 David Liley。

作者无任何利益冲突需要披露。

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（&#62;40%）引起脑电图中 delta、theta 和 alpha 频段功率下降的现象相符25,28,</su...

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，但这些靶点在麻醉作用中的具体贡献尚不明确（详见综述4）。
作用机制以及各类药物所产生的生理和神经效应存在较大变异性，这使得难以对其在意识加工中的影响得出普遍性结论。GABA能药物诱导的意识丧失（LOC）通常表现为大脑活动的全局性改变，脑电图（EEG）上表现为高振幅、低频率的δ波（δ，0.5–4 Hz）出现，同时高频的γ波活动（γ，35–45 Hz）减弱，类似于慢波睡眠状态。5,6 以及脑血流量和葡萄糖代谢的广泛降低5,6,7,8,9,10,11,12. Boveroux 等.13 通过功能磁共振成像（fMRI）技术，进一步证实了丙泊酚麻醉下静息态功能连接显著降低。相比之下，解离性麻醉药对脑活动的影响尚不明确。在某些情况下，这类药物与脑血流量和葡萄糖代谢的增加相关。14,15,16,17,18,19,20,21 而Rex及其同事的研究22 以及Laitio及其同事23,24 观察氙气（Xe）的作用，发现其既可增加也可降低脑部活动。类似不规则效应亦可见于其对脑电图（EEG）信号的影响。25,26,27,28. Johnson 等.29 在一项关于氙气麻醉的高密度脑电图研究中，观察到低频段（delta 和 theta）的总功率以及高频段（gamma）的总功率均有所增加，而氮气麻醉则观察到了相反的结果2δ、θ 和 α 频率波段中的 O30,31 以及在较高频率下对 Xe 的研究32. 氙对头皮电活动影响的这种变异性在α和β频率范围内同样可以观察到，且均表现为增强33 和减少34 被报道。
尽管存在上述差异，但当研究者试图观察脑区间功能连接性的改变时，不同药物作用下的图像开始呈现出更为一致的模式。然而，此类测量方法主要局限于那些在空间分辨率或时间分辨率上必然有所妥协的技术手段。虽然利用脑电图（EEG）的研究似乎揭示了丙泊酚35、七氟烷36和一氧化二氮（N2O）37麻醉/镇静期间功能网络拓扑结构的明确且在一定程度上一致的变化，但EEG传感器层面数据间距较大，空间分辨率不足，难以有效地定义和划分相应功能网络的节点。相反，利用功能性磁共振成像（fMRI）和正电子发射断层扫描（PET）的研究虽具有更高的空间分辨率，发现大规模功能连接性存在与EEG类似的拓扑改变13,38,39,40,41，但其时间分辨率不足，无法刻画α频段（8–13 Hz）EEG中的相位-振幅耦合以及其他正在成为麻醉作用重要特征的动力学现象12,42。此外，这些方法并不能直接评估电磁神经活动43。
因此，为了深入理解麻醉剂作用相关的宏观过程，有必要解决先前研究所存在的局限性：麻醉剂种类覆盖范围有限，以及无创测量方法在时空分辨率上的不足。基于此，作者提出了一种方法，可同时记录健康志愿者的脑磁图（MEG）和脑电图（EEG）活动，该方法专为施用气体性分离麻醉剂氙气（Xe）和一氧化二氮（N2O）而开发。
脑磁图（MEG）被采用的原因在于，除脑电图（EEG）外，它是唯一一种具有毫秒级时间分辨率的非侵入性神经生理学技术。EEG 存在一个问题是颅骨会模糊电场，对皮层产生的活动起到低通滤波的作用，而 MEG 对这一问题以及容积传导问题的敏感性要低得多44。有观点认为，MEG 在空间分辨率和源定位准确性方面优于 EEG45,46。EEG 无法实现真正的无参考记录37,47，而 MEG 可以。MEG 系统通常记录的皮层活动频率范围也远宽于 EEG，包括高频伽马波段48（通常为 70 - 90 Hz），该频段被认为参与了包括氙气（Xe）29 和一氧化二氮（N2O）28 在内的麻醉剂的催眠效应。MEG 提供的神经生理学活动可与 EEG 所反映的信息形成互补，因为 EEG 活动主要与细胞外电流相关，而 MEG 主要反映由细胞内电流产生的磁场46,49。此外，MEG 对平行于皮层表面的电生理活动特别敏感，而 EEG 主要记录垂直于皮层的细胞外活动49。因此，结合 MEG 与 EEG 数据具有超加性的优势50。
选择气体解离剂 Xe 和 N2O 基于以下基本原则：它们无气味（Xe）或基本无气味（N2O），因此在亚临床浓度下使用时，可方便地应用于存在对照条件的实验中。此外，由于其对心肺系统的抑制作用较弱，这两种气体非常适合在实验室环境中进行远程给药和监测61。氙气以及程度较轻的 N2O，在使 50% 的受试者对语言指令失去反应时所需的肺泡最低有效浓度（MAC-awake）相对较低，其值分别为 32.6 ± 6.1%51 和 63.3 ± 7.1%52。尽管 Xe 和 N2O 均为 NMDA 受体拮抗剂，但它们对脑电图（EEG）的调节方式不同——在使用双频指数33,53,54（一种用于通过脑电图监测麻醉深度的方法）进行监测时，Xe 的表现更类似于典型的 GABA 能药物。相比之下，N2O 的脑电效应则不明显，几乎无法通过双频指数进行有效监测26。由于 Xe 的脑电生理特性与其他解离剂不同，却与更常研究的 GABA 能药物相似，因此对其电生理特性的研究有望揭示与意识神经相关机制及其相应功能网络变化的重要特征。作用于 NMDA 受体的药物有望进一步揭示支持正常与异常意识状态的大脑网络，因为 NMDA 受体介导的活动在学习与记忆中具有关键作用，并且与包括精神分裂症和抑郁症在内的多种精神疾病密切相关80。
本文主要关注在非医院环境中输送气态麻醉剂的同时记录脑磁图（MEG）和脑电图（EEG）时，所涉及的高要求且复杂的数据采集过程。文中概述了传感器层面的基本数据分析方法，并提供了示例数据，表明在头部运动最小化的情况下可获得高保真度的记录。对于利用此类数据通常会进行的后续源成像和/或功能连接性分析的多种潜在方法，本文未作描述，因为这些方法在文献中已有充分阐述，并展示了多种分析选择55,56。

<table><tbody><tr><td>Neuromag TRIUX 306通道MEG系统</td><td>Elekta Oy，斯德哥尔摩，瑞典</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>Polhemus Fastrak 3D 系统</td><td>美国佛蒙特州波尔赫姆斯</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>MEG 兼容 ER-1 插入式耳机</td><td>Etymotic Research Inc.，伊利诺伊州，美国</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>低密度泡沫头帽，兼容 MEG</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>由研究团队定制制作</td></tr><tr><td>Harness，MEG 兼容</td><td>N/A</td><td></td><td>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</td></tr><tr><td>Ambu Neuroline 720 单次使用表面电极</td><td>Ambu，哥本哈根，丹麦</td><td>72015-K10</td><td></td></tr><tr><td>3.0T TIM Trio MRI 系统</td><td>西门子股份公司，德国埃尔朗根</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>Asalab 放大器系统</td><td>ANT Neuro，恩斯赫德，荷兰</td><td>N/A</td><td>该系统已停止生产，并已弃用，改为使用64通道eego EEG放大器</td></tr><tr><td>64通道Waveguard EEG帽，兼容MEG</td><td>ANT Neuro，恩斯赫德，荷兰</td><td>CA-138</td><td>尺寸 中等</td></tr><tr><td>磁屏蔽无线电池盒</td><td>ANT Neuro，恩斯赫德，荷兰</td><td>N/A</td><td>制造商未提供磁屏蔽 &amp;ndash; 经研究团队修改</td></tr><tr><td>OneStep ClearGel 电极胶</td><td>H+H 医疗产品有限责任公司，明斯特，德国</td><td>154547</td><td></td></tr><tr><td>Akzent Xe Color 麻醉机</td><td>Stephan GmbH，Gackenbach，德国</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>欧姆龙 M6-Comfort 血压计</td><td>欧姆龙健康医疗，京都，日本</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>氙气（纯度99.999%）</td><td>Coregas，托马斯敦，维多利亚州，澳大利亚</td><td>N/A</td><td>我们估计每位参与者大约使用 40 L（SATP）</td></tr><tr><td>医用一氧化二氮</td><td>Coregas，汤姆斯敦，维多利亚州，澳大利亚</td><td>N/A</td><td>x2 G 型气瓶</td></tr><tr><td>医用氧气</td><td>Coregas，汤姆斯敦，维多利亚州，澳大利亚</td><td>N/A</td><td>x2 G 型气瓶</td></tr><tr><td>医用空气</td><td>Coregas，汤姆斯敦，维多利亚州，澳大利亚</td><td>N/A</td><td>2个G型气瓶</td></tr><tr><td>过滤呼吸器 &amp;amp; 带有二氧化碳监测端口的HMES低流量麻醉省气系统</td><td>美国明尼苏达州美敦力公司</td><td>352/5805</td><td></td></tr><tr><td>杨克成人高型</td><td>美国明尼苏达州，美敦力公司</td><td>8888-502005</td><td></td></tr><tr><td>Quadralite EcoMask 麻醉面罩</td><td>Intersurgical 澳大利亚有限公司</td><td>7093000/7094000</td><td>3号和4号</td></tr><tr><td>一次性吸液瓶 1200 mL Medival Guardian</td><td>美国俄亥俄州康德诺健康公司</td><td>65651-212</td><td></td></tr><tr><td>导管延长接头 4-13 厘米，带&amp;nbsp; 90A 弯头</td><td>美国明尼苏达州，美敦力公司</td><td>330/5667</td><td></td></tr><tr><td>导管 IV Optiva 24g × 19 mm 黄色 直头 不锈钢</td><td>美国明尼苏达州史密斯医疗</td><td>5063-INT</td><td></td></tr><tr><td>地塞米松 Mylan 注射液小瓶（4 mg/1 mL）</td><td>Alphapharm Pty Ltd，悉尼，澳大利亚</td><td>400528517</td><td></td></tr><tr><td>昂丹司琼（4 mg/2 mL）</td><td>Alphapharm Pty Ltd，悉尼，澳大利亚</td><td>400008857</td><td></td></tr><tr><td>医疗抢救车</td><td></td><td></td><td>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 &quot;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。&amp;nbsp; 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。&amp;nbsp; 完整详情请见 https://resus.org.au/standards-for-resuscitation-clinical-practice-and-education/</td></tr><tr><td>Maxfilter 版本 2.2</td><td>Elekta Oy，斯德哥尔摩，瑞典</td><td>N/A</td><td>Elekta Neuromag TRIUX MEG 系统配套的数据分析软件</td></tr></tbody></table>

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

Recording Brain Electromagnetic Activity During the Administration of the Gaseous Anesthetic Agents Xenon and Nitrous Oxide in Healthy Volunteers

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。

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...

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。

麻醉 arguably 提供了研究全脑意识/无意识神经相关性的唯一系统性方法之一。然而迄今为止，大多数……

本实验的目的是在双向重复测量交叉设计中，表征健康受试者在接受两种气态解离剂氙气和一氧化二氮后，脑电磁活动的变化。由于实验较为复杂，大部分设备的安装工作需在受试者到达前完成，其中最重要的是在磁屏蔽室（MSR）内配置脑电图（EEG）系统。脑电图放大器应尽可能放置在磁屏蔽室内远离受试者的位置，并需配置为使用内置电池或外置屏蔽电池盒的直流电源供电。应检查从放大器到数据记录计算机的光纤连接是否正常工作。最后，磁屏蔽室内的视频摄像机应进行设置，使其视场能够清晰地捕捉到受试者的面部和上胸部，以便麻醉医师能够清楚地监测受试者的呼吸及气道状况。为了获得一致且可比较的数据，首先需对受试者进行访谈，以确认其是否符合研究的纳入标准。受试者应为20至40岁的健康男性，无精神或神经系统疾病，近期无药物或酒精使用史，且无呼吸系统或心血管系统疾病。受试者应在实验当天剃净胡须，并至少禁食六小时后到达实验室。为了确保高质量的脑电图（EEG）记录，建议受试者的头发最近已用清水清洗且未使用护发素，并用刷子用力刷头皮以去除任何干燥或死亡的皮肤。佩戴与脑磁图（MEG）兼容的高密度脑电图帽，并适当使用导电凝胶。然后将头部位置指示线圈牢固地安装在脑电图帽的预设位置上。随后将所有辅助生物电极贴附在受试者面部和身体的指定位置。为了后续分析，必须精确定位所有电极和HPI线圈的位置，同时采集眼眶、鼻梁和面颊轮廓的数字化信息，以便与结构MRI进行共配准。另外放置两个电极于颏下，用于记录静息肌张力。眼电图（EOG）记录通过在眼睛上方和下方各放置两个电极来实现。最后，通过在左右手腕屈侧表面放置电极，构成三导联心电图（ECG）导联。随后应确认脑电图（EEG）电极的阻抗低于5千欧姆，以获得高保真度的记录。由于实验持续时间较长，且所施用的气体具有镇静作用，因此最大限度地减少头部运动至关重要。使用记忆泡沫头枕以减少头部的侧向移动，并用黄麻固定带将身体绑紧，以尽量减少任何垂直方向的移动。随后进行闭眼静息状态以及基线听觉连续执行任务的记录。麻醉气体的使用必须始终由麻醉科医师进行监督，这一点至关重要。除了监测患者状态外，麻醉科医师还需确保麻醉气体输送装置配置恰当，本案例中该装置专门用于氙气的输送与监测。麻醉科医师将对麻醉机进行测试，检查面罩是否佩戴舒适且无泄漏，调节气体流量，插入导管，给予止吐药物，并在受试者于磁屏蔽室内（MSR）就座后、最终采集止吐药物使用后的基线数据之前，开始使用100%氧气进行去氮化处理，随后启动气体给药方案。此时，受试者已舒适地坐在磁屏蔽室内，完成了去氮化处理，并已给予地塞米松和昂丹司琼，以尽量降低因气体吸入可能引起的恶心或呕吐等不良反应风险。在关闭磁屏蔽室门之前，麻醉护士或其他经过适当培训的医疗专业人员将坐在受试者身旁。需最后检查确认血压袖带已连接，按钮反应盒位置舒适，足趾或手指上的脉搏血氧仪已牢固固定。随

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