Registrazione attività elettromagnetica cerebrale durante l'amministrazione del xeno di agenti anestetici gassosi e protossido di azoto in volontari sani

Lo scopo di questo esperimento è quello di caratterizzare i cambiamenti nell'attività elettromagnetica cerebrale in risposta alla somministrazione dei due agenti dissociativi gassosi xeno e protossido di azoto a partecipanti sani in un disegno di crossover a misure ripetute a due vie. A causa della complessità dell'esperimento, è importante che la maggior parte della configurazione dell'attrezzatura avvenga prima dell'arrivo del partecipante. Il più importante di questi è la configurazione del sistema EEG nella stanza magneticamente schermata o MSR.

L'amplificatore EEG è posizionato nell'MSR il più lontano possibile dal partecipante e deve essere configurato per funzionare con alimentazione CC utilizzando una batteria integrata o una scatola batteria schermata esterna. L'accoppiamento in fibra ottica dall'amplificatore al computer di registrazione dati deve essere verificato per essere operativo. Infine, una videocamera nell'MSR dovrebbe essere configurata in modo tale che il suo campo visivo catturi chiaramente il viso e la parte superiore del torace del partecipante, in modo che il medico anestesista possa monitorare chiaramente lo stato respiratorio e delle vie aeree del partecipante.

Al fine di acquisire dati coerenti e comparabili, i partecipanti vengono prima intervistati per confermare la loro idoneità allo studio. I partecipanti devono essere maschi sani di età compresa tra 20 e 40 anni senza condizioni psichiatriche o neurologiche, senza precedenti recenti di uso di droghe o alcol e senza condizioni respiratorie o cardiache. I partecipanti devono arrivare ben rasati il giorno dell'esperimento e aver digiunato per almeno sei ore.

Per garantire registrazioni EEG di alta qualità, si raccomanda che i capelli del soggetto siano stati lavati di recente senza balsamo e che il cuoio capelluto sia stato spazzolato con cura per rimuovere la pelle secca o morta. Una cuffia EEG ad alta densità compatibile con MEG viene applicata con l'uso appropriato di gel conduttivo. Le bobine dell'indicatore della posizione della testa vengono quindi fissate saldamente in posizioni predefinite sulla cuffia EEG.

Tutti gli elettrodi ausiliari di biopotenziale vengono quindi applicati nelle posizioni designate sul viso e sul corpo del soggetto. Per le analisi successive, è importante che tutti gli elettrodi e le posizioni della bobina HPI siano registrati con precisione, insieme alla digitalizzazione dei contorni delle orbite, della cresta nasale e delle guance per la successiva coregistrazione con la risonanza magnetica strutturale. Due elettrodi sono posizionati sottomentalmente per registrare il tono muscolare a riposo.

Le registrazioni dell'elettrooculogramma o EOG vengono effettuate posizionando due ulteriori elettrodi sopra e sotto l'occhio. Infine, una derivazione ECG a tre derivazioni è configurata da elettrodi sulle superfici dei flessori del polso sinistro e destro. Le impedenze degli elettrodi EEG devono quindi essere verificate come inferiori a cinque kiloohm per produrre registrazioni ad alta fedeltà.

La durata dell'esperimento e gli effetti sedativi dei gas somministrati rendono vitale la minimizzazione del movimento della testa. Viene applicato un tutore per la testa in memory foam per ridurre il movimento laterale della testa e un'imbracatura in iuta viene legata intorno al corpo per ridurre al minimo qualsiasi movimento verticale. Vengono ora eseguite registrazioni delle attività di prestazione uditiva continua ad occhi chiusi e di base.

È di vitale importanza che la somministrazione dei gas anestetici sia sempre supervisionata da un medico anestesista. Oltre al monitoraggio del paziente, il ruolo del medico anestesista comprende la garanzia dell'adeguata configurazione dell'unità di erogazione del gas anestetico, specializzata in questo caso per l'erogazione e il monitoraggio dello xeno. Il medico anestesista testerà la macchina per anestesia, verificherà che la maschera si adatti comodamente e non perda, regolerà i flussi di gas, inserirà una cannula, somministrerà antiemetici e inizierà la denitrogenazione con ossigeno al 100% con il partecipante seduto nell'MSR prima della raccolta finale dei dati di base post-antiemetici e dell'inizio del protocollo di somministrazione del gas.

In questa fase il partecipante sarà comodamente seduto nell'MSR dopo essere stato denitrogenato e dopo essere stato somministrato desametasone e ondansetron per ridurre al minimo il rischio di nausea o vomito avversi dovuti alla somministrazione di gas. Prima che la porta della RSM venga chiusa, l'infermiere anestetico o un altro professionista medico adeguatamente formato viene seduto accanto al partecipante. Viene effettuato un controllo finale che il bracciale per la pressione sanguigna sia collegato, che le caselle di risposta dei pulsanti siano posizionate comodamente e che il pulsossimetro sulla punta o sul dito sia fissato saldamente.

Il protocollo procede quindi a fornire quattro Equi-MAC svegli che aumentano progressivamente i livelli di gas xeno, o tre livelli graduali di protossido di azoto in un periodo di 15 minuti ciascuno, al fine di assicurare l'equilibrio sangue-cervello-gas. Ogni livello deve contenere uno stato stazionario di cinque minuti quando viene raggiunta la concentrazione di gas desiderata e deve essere seguito da un periodo di washout di 10 minuti. Durante tutti i livelli, i livelli di ossigeno, anidride carbonica e xeno o protossido di azoto sono continuamente monitorati e registrati elettronicamente.

Alla fine di ogni livello, i partecipanti vengono brevemente valutati prima di passare ai livelli superiori. Perché al più alto livello di xeno, in cui si ottiene la perdita di reattività, l'ostruzione delle vie aeree può verificarsi facilmente e inaspettatamente e i soggetti devono essere attentamente monitorati e valutati continuamente da personale qualificato, sia all'interno che all'esterno dell'MSR per intraprendere immediatamente tutte le azioni necessarie. Al termine dell'esperimento, il medico anestesista entrerà nella MSR e farà un debriefing con il paziente.

Il partecipante viene quindi portato all'esterno dell'MSR dove l'apparecchio viene rimosso e gli viene somministrata una cura anestesiologica postoperatoria standard. Prima che il partecipante parta, assicurati che sia sicuro di tornare a casa con un parente o un amico. Nelle successive 24 ore, al partecipante sarà richiesto di compilare i questionari riguardanti la procedura e gli eventuali effetti collaterali.

Questo video è stato preparato principalmente per illustrare i metodi coinvolti nella somministrazione dell'anestesia gassosa durante la registrazione simultanea di dati EEG e MEG, pertanto vengono presentate solo analisi dei dati di base e risultati rappresentativi per dare allo spettatore un'idea chiara di come dovrebbero apparire i dati registrati. I risultati di base illustrano esempi di movimento della testa, andamento temporale della concentrazione di gas e accuratezza del compito uditivo; dati EEG e MEG filtrati privi di artefatti; spettri EEG e MEG e topografia di potenza; e risposte evocate uditive sia per il basale che durante la somministrazione di gas. Per creare i risultati di base, viene utilizzata la seguente pipeline utilizzando una combinazione di piattaforme software di analisi dei dati e toolbox.

I dati grezzi MEG ed EEG vengono memorizzati rispettivamente come formati di file fif e cnt. I movimenti della testa sono calcolati utilizzando il software MaxFilter e uno script scritto dagli autori, entrambi utilizzati per convertire i movimenti della testa dallo spazio cortoniano in coordinate cartesiane. L'accuratezza del compito uditivo e il tempo di reazione vengono quindi calcolati e visualizzati, allineati nel tempo con le serie temporali del movimento della testa e della concentrazione di gas, al fine di valutare la qualità dei dati prima di elaborare ulteriormente i dati EEG e MEG.

L'allineamento temporale dei dati si basa sui tempi di attivazione registrati. In genere, il movimento della testa sarà minimo durante le condizioni di base, mentre un movimento maggiore tende a verificarsi ai livelli di gas più elevati associati a stati più dissociati o sedati. Questo può essere visto qui, ad esempio, nella registrazione allo xeno al 42%, dove la cifra superiore mostra il movimento della testa e quella inferiore, la concentrazione di gas e l'accuratezza del compito uditivo.

Si noti che la perdita di reattività si verifica tra 7,5 e 12,5 minuti. Un movimento assoluto della testina inferiore a cinque millimetri è considerato accettabile ai fini dell'imaging della sorgente. I segmenti di dati con movimento superiore a cinque millimetri vengono ignorati.

La pre-elaborazione dei dati MEG ed EEG comporta inizialmente la selezione dei canali difettosi. Segue l'uso dell'algoritmo tSSS per rimuovere gli artefatti dalla registrazione MEG dovuti a fonti esterne. Il resto della pipeline di elaborazione prevede l'uso di piattaforme software di analisi dei dati e di strumenti associati per l'analisi.

Il filtraggio passa-banda e notch viene applicato sia ai dati MEG che a quelli EEG per focalizzare l'analisi sulla banda di frequenza di interesse. I periodi di tempo nei dati contenenti artefatti vengono rifiutati in base all'ispezione visiva, oltre a rimuovere i periodi che comportano variazioni eccessive del movimento della testa. I dati MEG ed EEG filtrati e privi di artefatti possono quindi essere visualizzati e correlati ai cambiamenti indotti dall'anestesia.

Gli spettri di ampiezza per ciascun sensore e le topografie di potenza in banda spettrale di tutti i sensori vengono quindi calcolati per i dati MEG ed EEG. La visualizzazione degli spettri di ampiezza in diverse posizioni dei sensori facilita l'osservazione degli effetti dei diversi livelli di anestesia sugli spettri del segnale. La visualizzazione della topografia della potenza a livello di sensore in diverse bande di frequenza, in questo caso la banda alfa, consente l'osservazione degli effetti di diversi livelli di anestetico sul modello spaziale di attività.

I dati MEG ed EEG filtrati e privi di artefatti vengono quindi epochizzati utilizzando trigger collegati al tempo di erogazione del tono uditivo. Le risposte uditive evocate medie vengono quindi costruite nel tempo sulla media del campione. La visualizzazione delle risposte evocate uditive a livello di sensore consente la caratterizzazione degli effetti degli anestetici sulla reattività del cervello.

In particolare, il risveglio della risposta evocata iniziale e la scomparsa dei picchi di risposta evocata successivi derivano da alte concentrazioni di gas. Ci sono molti altri potenziali passaggi di analisi interessanti che possono essere eseguiti dopo questa analisi di base. Dato che ci sono molte opzioni presentate in letteratura, non le trattiamo in dettaglio qui.

Tali opzioni includono l'imaging della sorgente MEG ed EEG utilizzando il beamforming o la stima della norma minima per ottenere una migliore comprensione della relazione tra attività cerebrale e anatomia cerebrale. L'analisi della connettività funzionale a livello di sensore o sorgente può svelare i cambiamenti nelle reti cerebrali legati all'azione anestetica. C'è anche la possibilità di concentrare l'analisi sul sensore o sulle risposte evocate uditive a livello di sorgente, oppure di esaminare i dati continui indipendentemente dallo stimolo uditivo al fine di identificare eventuali cambiamenti indotti dall'anestetico nelle dinamiche cerebrali globali.

I meccanismi su macroscala delle riduzioni di coscienza indotte dall'anestesia non sono ben compresi. L'evidenza della letteratura ha fortemente implicato una rottura della connettività funzionale alla base delle riduzioni di coscienza indotte dall'anestesia. Sebbene gli anestetici abbiano una vasta gamma di bersagli molecolari d'azione e diversi effetti macroscopici sull'EEG e sul MEG, non è ancora risolto se esiste un meccanismo universale o comune su macroscala in tutti gli anestetici.

Qui abbiamo delineato un protocollo per eseguire l'anestesia gassosa utilizzando i presunti antagonisti del recettore NMDA xeno e protossido di azoto, registrando contemporaneamente i dati MEG ed EEG. Questo metodo faciliterà lo studio di diversi agenti gassosi e volatili su dati MEG ed EEG registrati simultaneamente, e quindi la ricerca di meccanismi universali di riduzione della coscienza indotta dall'anestesia.