Enregistrement activité électromagnétique du cerveau au cours de l’Administration des Agents anesthésiques gazeux Xenon et l’oxyde nitreux chez des volontaires sains

Le but de cette expérience est de caractériser les changements dans l’activité électromagnétique du cerveau en réponse à l’administration des deux agents dissociatifs gazeux xénon et protoxyde d’azote à des participants sains dans un plan croisé à mesures répétées bidirectionnelles. En raison de la complexité de l’expérience, il est important que la majorité de l’installation de l’équipement se fasse avant l’arrivée des participants. Le plus important d’entre eux est la configuration du système EEG dans la salle à blindage magnétique ou MSR.

L’amplificateur EEG est placé dans le MSR aussi loin que possible du participant et doit être configuré pour fonctionner en courant continu à l’aide d’une batterie intégrée ou d’un boîtier de batterie externe blindé. Le couplage de la fibre optique entre l’amplificateur et l’ordinateur d’enregistrement de données doit être vérifié pour être opérationnel. Enfin, une caméra vidéo dans le MSR doit être configurée de manière à ce que son champ de vision capture clairement le visage et le haut du thorax du participant, de sorte que le médecin anesthésiologiste puisse surveiller clairement l’état respiratoire et des voies respiratoires du participant.

Afin d’obtenir des données cohérentes et comparables, les participants sont d’abord interrogés pour confirmer leur admissibilité à l’étude. Les participants doivent être des hommes en bonne santé, âgés de 20 à 40 ans, sans problèmes psychiatriques ou neurologiques, sans antécédents récents de consommation de drogues ou d’alcool et sans problèmes respiratoires ou cardiaques. Les participants doivent arriver rasés de près le jour de l’expérience et avoir jeûné pendant au moins six heures.

Pour garantir des enregistrements EEG de haute qualité, il est recommandé que les cheveux du sujet aient été récemment lavés sans après-shampooing et que son cuir chevelu ait été fermement brossé pour éliminer toute peau sèche ou morte. Un capuchon EEG haute densité compatible MEG est appliqué avec l’utilisation appropriée de gel conducteur. Les bobines indicatrices de position de la tête sont ensuite solidement fixées à des endroits prédéfinis sur le capuchon EEG.

Toutes les électrodes de biopotentiel auxiliaires sont ensuite appliquées aux endroits désignés sur le visage et le corps du sujet. Pour une analyse ultérieure, il est important que toutes les positions des électrodes et des bobines HPI soient enregistrées avec précision, ainsi que la numérisation des contours des orbites, de la crête nasale et des joues pour une co-inscription ultérieure avec l’IRM structurelle. Deux électrodes sont placées sous-mentalement pour enregistrer le tonus musculaire au repos.

Les enregistrements d’électrooculogramme ou EOG sont effectués en plaçant deux électrodes supplémentaires au-dessus et en dessous de l’œil. Et enfin, une dérivation ECG à trois dérivations est configurée par des électrodes sur les surfaces des fléchisseurs gauche et droit du poignet. Les impédances des électrodes EEG doivent ensuite être vérifiées comme étant inférieures à cinq kiloohms afin d’obtenir des enregistrements haute fidélité.

La durée de l’expérience ainsi que les effets sédatifs des gaz administrés rendent vitale la minimisation des mouvements de la tête. Une attelle de tête en mousse à mémoire de forme est appliquée afin de réduire les mouvements latéraux de la tête, et un harnais en jute est attaché autour du corps pour minimiser tout mouvement vertical. Les enregistrements de l’état de repos les yeux fermés et de la performance auditive continue de base sont désormais effectués.

Il est d’une importance vitale que l’administration des gaz anesthésiques soit supervisée à tout moment par un médecin anesthésiste. Outre le suivi des patients, le rôle du médecin anesthésiste consiste notamment à s’assurer de la configuration adéquate de l’unité d’administration des gaz anesthésiques, spécialisée dans ce cas pour l’administration et la surveillance du xénon. Le médecin anesthésiste testera l’appareil d’anesthésie, vérifiera que le masque est bien ajusté et ne fuit pas, ajustera les débits de gaz, insérera une canule, administrera des antiémétiques, et commencera la dénitrogénation avec 100 % d’oxygène avec le participant assis dans le MSR avant la collecte finale des données de référence post-antiémétiques et le début du protocole d’administration de gaz.

À ce stade, le participant sera confortablement assis dans le MSR après avoir été dénitrogéné et avoir reçu de la dexaméthasone et de l’ondansétron afin de minimiser le risque de nausées ou de vomissements indésirables dus à l’administration de gaz. Avant que la porte du MSR ne soit fermée, l’infirmière anesthésiste ou un autre professionnel de la santé dûment formé est assis à côté du participant. Une dernière vérification est effectuée pour s’assurer que le brassard de tensiomètre est connecté, que les boîtes de réponse des boutons sont confortablement positionnées et que l’oxymètre de pouls sur l’orteil ou le doigt est solidement fixé.

Le protocole procède ensuite à l’administration de quatre Equi-MAC éveillés en augmentant progressivement les niveaux de gaz xénon, ou de trois niveaux de protoxyde d’azote par étapes sur une période de 15 minutes chacun afin d’assurer l’équilibre sang-cerveau-gaz. Chaque niveau doit contenir un état stable de cinq minutes lorsque la concentration de gaz souhaitée est atteinte et doit être suivi d’une période de lavage de 10 minutes. À tous les niveaux, les niveaux d’oxygène, de dioxyde de carbone et de xénon ou de protoxyde d’azote sont surveillés en permanence et enregistrés électroniquement.

À la fin de chaque niveau, les participants sont brièvement évalués avant de passer aux niveaux supérieurs. Étant donné qu’au niveau de xénon le plus élevé, où la perte de réactivité est obtenue, une obstruction des voies respiratoires peut facilement et de manière inattendue, et les sujets doivent être surveillés de près et évalués en permanence par du personnel qualifié, à la fois à l’intérieur et à l’extérieur de la MSR, pour que toutes les mesures nécessaires soient prises immédiatement. À la fin de l’expérience, le médecin anesthésiologiste entrera dans le MSR et fera un compte rendu avec le patient.

Le participant est ensuite amené à l’extérieur de la RSM où l’appareil est retiré et il reçoit des soins anesthésiques postopératoires standard. Avant de partir du participant, assurez-vous qu’il peut rentrer chez lui en toute sécurité avec un parent ou un ami. Dans les prochaines 24 heures, le participant devra remplir les questionnaires concernant la procédure et les éventuels effets secondaires.

Cette vidéo a été principalement préparée pour illustrer les méthodes impliquées dans l’administration d’une anesthésie gazeuse tout en enregistrant simultanément des données EEG et MEG, par conséquent, seules des analyses de données très basiques et des résultats représentatifs sont présentés pour donner au spectateur une idée claire de ce à quoi devraient ressembler les données enregistrées. Les résultats de base illustrent des exemples de mouvement de la tête, de concentration de gaz, d’évolution temporelle et de précision des tâches auditives ; données EEG et MEG filtrées sans artefacts ; spectres EEG et MEG et topographie de puissance ; et les réponses évoquées auditives pour la ligne de base et pendant l’administration de gaz. Pour créer les résultats de base, le pipeline suivant est utilisé à l’aide d’une combinaison de plates-formes logicielles d’analyse de données et de boîtes à outils.

Les données brutes MEG et EEG sont stockées respectivement aux formats de fichier fif et cnt. Les mouvements de la tête sont calculés à l’aide du logiciel MaxFilter et d’un script écrit par les auteurs, tous deux utilisés pour convertir les mouvements de la tête de l’espace cortonien en coordonnées cartésiennes. La précision de la tâche auditive et le temps de réaction sont ensuite calculés et visualisés, alignés dans le temps sur les séries chronologiques de mouvement de la tête et de concentration de gaz, afin d’évaluer la qualité des données avant de poursuivre le traitement des données EEG et MEG.

L’alignement temporel des données est basé sur les temps de déclenchement enregistrés. En règle générale, le mouvement de la tête sera minime dans des conditions de base, tandis que plus de mouvement a tendance à se produire aux niveaux de gaz plus élevés associés à des états plus dissociés ou sédatifs. On peut le voir ici, par exemple, dans l’enregistrement au xénon à 42 %, où la figure du haut montre le mouvement de la tête, et la figure du bas, la concentration de gaz et la précision de la tâche auditive.

Notez que la perte de réactivité se produit entre 7,5 et 12,5 minutes. Un mouvement absolu de la tête inférieur à cinq millimètres est considéré comme acceptable à des fins d’imagerie de la source. Les segments de données dont le mouvement est supérieur à cinq millimètres sont ignorés.

Le prétraitement des données MEG et EEG implique d’abord la sélection de canaux défectueux. S’ensuit l’utilisation de l’algorithme tSSS pour supprimer les artefacts de l’enregistrement MEG dus à des sources externes. Le reste du pipeline de traitement implique l’utilisation de plateformes logicielles d’analyse de données et de boîtes à outils associées pour l’analyse.

Le filtrage passe-bande et coupe-bande est appliqué à la fois aux données MEG et EEG pour concentrer l’analyse sur la bande de fréquence d’intérêt. Les périodes dans les données contenant des artefacts sont rejetées sur la base de l’inspection visuelle, en plus de la suppression des périodes impliquant des changements excessifs de mouvement de la tête. Les données MEG et EEG filtrées et sans artefacts peuvent ensuite être visualisées et associées aux modifications induites par l’anesthésique.

Les spectres d’amplitude de chaque capteur et les topographies de puissance de bande spectrale sur tous les capteurs sont ensuite calculés pour les données MEG et EEG. La visualisation des spectres d’amplitude à différents emplacements de capteurs facilite l’observation des effets de différents niveaux d’anesthésie sur les spectres de signaux. La visualisation de la topographie de puissance au niveau du capteur dans différentes bandes de fréquences, dans ce cas la bande alpha, permet d’observer les effets de différents niveaux d’anesthésie sur le modèle spatial d’activité.

Les données MEG et EEG filtrées et sans artefacts sont ensuite exportées à l’aide de déclencheurs liés au moment de l’émission du ton auditif. Les réponses évoquées auditives moyennes sont ensuite construites au fil du temps sur la moyenne de l’échantillon. La visualisation des réponses évoquées auditives au niveau du capteur permet de caractériser les effets des anesthésiques sur la réactivité du cerveau.

En particulier, le réveil de la réponse évoquée initiale et la disparition des pics de réponse évoquée ultérieurs résultent de fortes concentrations de gaz. Il existe de nombreuses autres étapes d’analyse potentiellement intéressantes qui peuvent être effectuées à la suite de cette analyse de base. Étant donné qu’il existe de nombreuses options présentées dans la littérature, nous ne les abordons pas en détail ici.

Ces options comprennent l’imagerie MEG et EEG à l’aide de la formation de faisceaux ou de l’estimation de normes minimales pour mieux comprendre la relation entre l’activité cérébrale et l’anatomie cérébrale. L’analyse de la connectivité fonctionnelle au niveau du capteur ou de la source peut démêler les changements dans les réseaux cérébraux liés à l’action anesthésique. Il est également possible de concentrer l’analyse sur le capteur ou les réponses auditives évoquées au niveau de la source, ou d’examiner des données continues indépendantes du stimulus auditif afin d’identifier tout changement induit par l’anesthésique dans la dynamique cérébrale globale.

Les mécanismes à l’échelle macroscopique des réductions de la conscience induites par l’anesthésique ne sont pas bien compris. Les preuves de la littérature ont fortement impliqué une rupture de la connectivité fonctionnelle sous-jacente aux réductions de conscience induites par l’anesthésique. Bien que les anesthésiques aient une gamme variée de cibles moléculaires d’action et différents effets macroscopiques sur l’EEG et la MEG, il n’est toujours pas résolu s’il existe un mécanisme universel ou commun à l’échelle macroscopique pour tous les anesthésiques.

Ici, nous avons décrit un protocole pour effectuer une anesthésie gazeuse à l’aide des antagonistes présumés des récepteurs NMDA, le xénon et le protoxyde d’azote, tout en enregistrant simultanément les données MEG et EEG. Cette méthode facilitera l’étude de différents agents gazeux et volatils sur des données MEG et EEG enregistrées simultanément, et donc la recherche de mécanismes universels de réduction de la conscience induite par l’anesthésique.