Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Rejestrowanie aktywności elektromagnetycznej mózgu podczas podawania gazowych środków znieczulających ksenonu i podtlenku azotu zdrowym ochotnikom

11.1K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/56881

⸱

13 stycznia 2018

 ,  ,  ,  ,  , 
1Centre for Human Psychopharmacology, Swinburne University of Technology, 2Department of Anaesthesia and Pain Management, St. Vincent's Hospital Melbourne, 3Brain and Psychological Science Research Centre, Swinburne University of Technology, 4Department of Anaesthesiology, University of Auckland

W tym artykule

Podsumowanie

Jednoczesna magnetoencefalografia i elektroencefalografia dostarcza użytecznego narzędzia do poszukiwania powszechnych i odrębnych mechanizmów makroskalowych redukcji świadomości wywołanych przez różne środki znieczulające. Niniejsza praca ilustruje metody empiryczne leżące u podstaw rejestrowania takich danych od zdrowych ludzi podczas znieczulenia opartego na antagoniście receptora N-metylo-D-asparaginianu (NMDA) podczas wdychania podtlenku azotu i ksenonu.

Streszczenie

Anestezjologia prawdopodobnie dostarcza jednego z niewielu systematycznych sposobów badania neuronalnych korelatów globalnej świadomości/nieświadomości. Jednak do tej pory większość badań neuroobrazowych lub neurofizjologicznych u ludzi ograniczała się do badania środków znieczulających na bazie agonisty receptora γ-amino-masłowego (GABA), podczas gdy wpływ dysocjacyjnych środków znieczulających opartych na receptorze N-metylo-D-asparaginianu (NMDA) na bazie antagonistów ketaminy, podtlenku azotu (N2O) i ksenonu (Xe) jest w dużej mierze nieznany. W pracy opisano metody równoczesnej rejestracji magnetoencefalografii (MEG) i elektroencefalografii (EEG) od zdrowych mężczyzn podczas inhalacji gazowych środków znieczulającychN2Oi Xe. Połączenie danych MEG i EEG umożliwia ocenę aktywności elektromagnetycznej mózgu podczas znieczulenia w wysokiej rozdzielczości czasowej i umiarkowanej przestrzennej. Tutaj opisujemy szczegółowy protokół, dopracowany przez wiele sesji nagraniowych, który obejmuje rekrutację uczestników, konfigurację sprzętu anestezjologicznego w pomieszczeniu skanera MEG, gromadzenie danych i podstawową analizę danych. W tym protokole każdy uczestnik jest narażony na różne poziomy Xe iN2Ow projekcie krzyżowym z powtarzanymi pomiarami. Po odpowiednich zapisach wyjściowych uczestnicy są narażeni na stopniowe zwiększanie wdechowych stężeń Xe i N2O wynoszących odpowiednio 8, 16, 24 i 42% oraz 16, 32 i 47%, podczas których ich poziom reakcji jest śledzony za pomocą słuchowego zadania ciągłego wykonywania (aCPT). Wyniki są prezentowane dla wielu nagrań w celu podkreślenia właściwości surowych danych na poziomie czujników, topografii spektralnej, minimalizacji ruchów głowy i jednoznacznego, zależnego od poziomu wpływu na odpowiedzi słuchowe wywołane. Paradygmat ten opisuje ogólne podejście do rejestrowania sygnałów elektromagnetycznych związanych z działaniem różnych rodzajów gazowych środków znieczulających, które można łatwo dostosować do stosowania z lotnymi i dożylnymi środkami znieczulającymi. Oczekuje się, że opisana metoda może przyczynić się do zrozumienia mechanizmów anestezjologii w skali makro, umożliwiając rozszerzenie metodologiczne obejmujące obrazowanie przestrzeni źródłowej i funkcjonalną analizę sieci.

Wprowadzenie

Istnieje dobry konsensus między przedklinicznymi i klinicznymi dowodami neuronaukowymi sugerującymi, że zjawisko ludzkiej świadomości zależy od integralności jawnych obwodów neuronowych. Obserwacja, że takie obwody są systematycznie pod wpływem zejścia w nieprzytomność, uzasadniła potrzebę wykorzystania technik neuroobrazowania podczas znieczulenia i umożliwienia "nawigowania" w poszukiwaniu neuronalnych korelatów świadomości. Być może z wyjątkiem snu, znieczulenie jest jedyną metodą, za pomocą której można w kontrolowany, odwracalny i powtarzalny sposób zaburzyć, a tym samym przeanalizować mechanizmy, które podporządkowują świadomość, zwłaszcza w makroskopowej skali globalnej dynamiki mózgu. Klinicznie znieczulenie ogólne można zdefiniować jako stan hipnozy/utraty przytomności, bezruchu i analgezji i pozostaje jedną z najpowszechniej stosowanych i najbezpieczniejszych interwencji medycznych. Pomimo jasności i skuteczności w efekcie końcowym, pozostaje duża niepewność co do mechanizmów działania różnych typów czynników powodujących utratę przytomności wywołanej znieczuleniem1.

Środki znieczulające można podzielić na środki dożylne, zwłaszcza propofol i barbiturany, lub środki lotne/gazowe, takie jak sewofluran, izofluran, podtlenek azotu (N2O) i ksenon (Xe). Farmakologia znieczulenia została dobrze ugruntowana, a wiele celów komórkowych zidentyfikowano jako powiązane z działaniem znieczulającym. Większość badanych do tej pory środków działa głównie poprzez agonizm aktywności za pośrednictwem receptora kwasu γ-aminomasłowego (GABA). W przeciwieństwie do tego, uważa się, że czynniki dysocjacyjne ketamina, Xe iN2Owywierają swoje działanie głównie poprzez celowanie w receptory glutaminergiczne N-metylo-D-asparaginianu (NMDA)2,3. Inne ważne cele farmakologiczne obejmują kanały potasowe, receptory acetylocholiny i pozostałości receptorów glutaminianu, AMPA i kainian, jednak zakres ich udziału w działaniu znieczulającym pozostaje nieuchwytny (aby uzyskać kompleksowy przegląd, zobacz 4).

Zakres zmienności w mechanizmie działania oraz obserwowane fizjologiczne i neuronalne efekty różnych typów czynników utrudnia wyciąganie ogólnych wniosków na temat ich wpływu na świadome przetwarzanie. Utrata przytomności (LOC) wywołana przez czynniki GABA-ergiczne zwykle charakteryzuje się globalną zmianą aktywności mózgu. Jest to widoczne w pojawieniu się fal delta o wysokiej amplitudzie i niskiej częstotliwości (δ, 0,5-4 Hz) oraz zmniejszeniu aktywności gamma o wysokiej częstotliwości (γ, 35-45Hz) w elektroencefalogramie (EEG), podobnie jak w przypadku snu wolnofalowego 5,6, a także w powszechnym zmniejszeniu przepływu krwi w mózgu i metabolizmu glukozy5,6,7,8,9,10,11,12. Boveroux i wsp. 13 dodał do takich obserwacji, wykazując znaczny spadek funkcjonalnej łączności w stanie spoczynku pod znieczuleniem propofolem za pomocą funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (fMRI). W przeciwieństwie do tego, znieczulenie dysocjacyjne daje mniej jasny profil wpływu na aktywność mózgu. W niektórych przypadkach są one związane ze wzrostem przepływu krwi w mózgu i metabolizmu glukozy14,15,16,17,18,19,20,21 podczas badań Rexa i współpracowników22 i Laitio oraz colleagues23,24 analiza efektów Xe dostarczyła dowodów zarówno na zwiększoną, jak i zmniejszoną aktywność mózgu. Podobną nieregularność można zaobserwować w wpływie na sygnały EEG25,26,27,28. Johnson i wsp. 29 wykazał wzrost całkowitej mocy pasm niskich częstotliwości delta i theta, jak również wyższego pasma częstotliwości gamma w badaniu EEG o wysokiej gęstości znieczulenia Xe, podczas gdy przeciwne obserwacje przeprowadzono dla N2O w pasmach częstotliwości delta, theta i alfa30,31 i dla Xe w wyższych częstotliwościach32. Taką zmienność wpływu Xe na aktywność elektryczną skóry głowy można zaobserwować w zakresach częstotliwości alfa i beta, przy czym zgłaszane są zarówno wzrosty33, jak i redukcje34.

Pomimo wspomnianych powyżej rozbieżności, obraz zaczyna stawać się bardziej spójny wśród agentów, gdy próbuje się przyjrzeć zmianom w funkcjonalnych połączeniach między obszarami mózgu. Środki te były jednak w przeważającej mierze ograniczone do warunków, które z konieczności wiążą się z ustępstwami w odniesieniu do rozdzielczości przestrzennej lub czasowej. Podczas gdy badania z wykorzystaniem EEG wydają się ujawniać wyraźne i do pewnego stopnia spójne zmiany w strukturze topologicznej sieci funkcjonalnych podczas znieczulenia/sedacji propofolem35, sevoflurane36 i N2O37, szeroko rozmieszczone dane EEG na poziomie czujnika mają niewystarczającą rozdzielczość przestrzenną, aby sensownie zdefiniować i wyznaczyć wierzchołki odpowiednich sieci funkcjonalnych. Z drugiej strony, badania wykorzystujące lepszą rozdzielczość przestrzenną fMRI i pozytonowej tomografii emisyjnej (PET) wykazują podobne zmiany topologiczne w łączności funkcjonalnej na dużą skalę jak w EEG13,38,39,40,41, jednak mają niewystarczającą rozdzielczość czasową, aby scharakteryzować sprzężenie fazowo-amplitudowe w paśmie alfa (8-13 Hz) EEG i inne zjawiska dynamiczne, które pojawiają się jako ważne sygnatury działania znieczulającego12,42. Co więcej, miary te nie oceniają bezpośrednio elektromagnetycznej aktywności neuronalnej43.

Dlatego, aby znacząco poszerzyć zrozumienie makroskopowych procesów związanych z działaniem środków znieczulających, należy zająć się ograniczeniami wcześniej wymienionych badań; ograniczony zakres środków znieczulających i niewystarczająca rozdzielczość czasoprzestrzenna pomiarów nieinwazyjnych. Na tej podstawie autorzy przedstawiają metodę jednoczesnego rejestrowania magnetoencefalogramu (MEG) i aktywności EEG u zdrowych ochotników, która została opracowana do podawania gazowych dysocjacyjnych środków znieczulających, Xe iN2O.

MEG jest wykorzystywany, ponieważ jest to jedyna nieinwazyjna technika neurofizjologiczna inna niż EEG, która ma rozdzielczość czasową w zakresie milisekund. EEG ma problem z rozmyciem pól elektrycznych przez czaszkę, która działa jak filtr dolnoprzepustowy na aktywność generowaną przez korę, podczas gdy MEG jest znacznie mniej wrażliwy na tę kwestię i kwestię przewodzenia objętościowego44. Można argumentować, że MEG ma wyższą dokładność lokalizacji przestrzennej i źródłowej niż EEG 45,46. EEG nie pozwala na prawdziwe nagrywanie bez odniesień37,47, jednak MEG to robi. Systemy MEG zazwyczaj rejestrują również aktywność korową w znacznie szerszym zakresie częstotliwości niż EEG, w tym wysoki gamma48 (zwykle 70 - 90 Hz), które zostały zasugerowane jako zaangażowane w hipnotyczne działanie środków znieczulających, w tym Xe29 i N2O28. MEG oferuje aktywność neurofizjologiczną, która uzupełnia tę przekazywaną przez EEG, ponieważ aktywność EEG odnosi się do zewnątrzkomórkowych prądów elektrycznych, podczas gdy MEG odzwierciedla głównie pola magnetyczne generowane przez prądy wewnątrzkomórkowe46,49. Co więcej, MEG jest szczególnie wrażliwy na aktywność elektrofizjologiczną styczną do kory mózgowej, podczas gdy EEG głównie rejestruje aktywność zewnątrzkomórkową promieniowo do kory mózgowej49. Tak więc połączenie danych MEG i EEG ma super-addytywne zalety50.

Gazowe środki dysocjacyjne Xe iN 2O zostały wybrane z następujących głównych powodów: są bezwonne (Xe) lub zasadniczo bezwonne (N2O), a zatem mogą być łatwo stosowane w warunkach kontrolnych, gdy są stosowane w subklinicznych stężeniach. Ponadto dobrze nadają się do zdalnego podawania i monitorowania w środowisku laboratoryjnym ze względu na ich słabe działanie depresyjne krążeniowo-oddechowe61. Ksenon i w mniejszym stopniuN2O zachowują stosunkowo niski poziom czuwania przy minimalnym stężeniu pęcherzyków płucnych (MAC), przy którym 50% pacjentów przestaje reagować na polecenie słowne o wartościach odpowiednio 32,6 ± 6,1%51 i 63,3 +- 7,1%52. Pomimo tego, że Xe iN2Osą antagonistami receptora NMDA, modulują EEG w różny sposób - Xe wydaje się zachowywać bardziej jak typowy czynnik GABA-ergiczny, gdy jest monitorowany za pomocą indeksu dwuspektralnego33,53,54 (jedno z kilku podejść stosowanych do elektroencefalograficznego monitorowania głębokości znieczulenia). W przeciwieństwie do tego, N2O daje znacznie mniej widoczny efekt elektroencefalograficzny, ponieważ jest słabo, jeśli w ogóle, monitorowany za pomocą Bispectral Index26. Ponieważ Xe ma inne opisywane właściwości elektroencefalograficzne niż inne czynniki dysocjacyjne, ale ma podobne cechy do częściej badanych czynników GABA-ergicznych, jego badanie elektrofizjologiczne może ujawnić ważne cechy związane z neuronalnymi korelatami świadomości i odpowiadającymi im zmianami w sieci funkcjonalnej. Czynniki, które działają na receptor NMDA, prawdopodobnie ujawnią więcej informacji o sieciach mózgowych, które obsługują normalną i zmienioną świadomość, biorąc pod uwagę kluczową rolę, jaką aktywność za pośrednictwem receptora NMDA odgrywa w uczeniu się i pamięci oraz jej rolę w szeregu zaburzeń psychicznych, w tym schizofrenii i depresji80.

Ten artykuł skupia się przede wszystkim na wymagającej i złożonej procedurze zbierania danych związanych z dostarczaniem gazowych środków znieczulających w środowisku pozaszpitalnym, jednocześnie rejestrując MEG i EEG. Przedstawiono podstawową analizę danych na poziomie czujnika i przedstawiono przykładowe dane ilustrujące, że nagrania o wysokiej wierności można uzyskać przy minimalnym ruchu głowy. Wiele potencjalnych metod późniejszego obrazowania źródłowego i/lub analizy połączeń funkcjonalnych, które zwykle byłyby wykonywane przy użyciu tego rodzaju danych, nie jest opisanych, ponieważ metody te są dobrze opisane w literaturze i pokazują różne opcje analizy55,56.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

Badanie pod tytułem „Effects of inhaled Xe and N2O on brain activity recorded using EEG and MEG” zostało zatwierdzone (numer zatwierdzenia: 260/12) przez Komitet Etyki Alfred Hospital i Swinburne University of Technology oraz spełniało wymagania określone w National Statement on Ethical Conduct in Human Research (207).

1. Dobór uczestników i wymagania przed rozpoczęciem badania

  1. Przeprowadzić wywiad w celu wyboru zdrowych, praworęcznych mężczyzn w wieku od 20 do 40 lat.
    1. Potwierdzić dobry ogólny stan zdrowia poprzez ustalenie wskaźnika masy ciała (BMI) uczestnika oraz brak przeciwwskazań do badania MRI lub MEG (takich jak wszczepione metalowe ciała obce), a także zebrać szczegółową historię medyczną, w tym informacje o przebytych operacjach, a w szczególności o wszelkich niepożądanych reakcjach na znieczulenie ogólne, które skutkowałyby wykluczeniem z badania.
    2. Wykluczyć w szczególności osoby, które w ostatnim czasie przyjmowały leki psychoaktywne lub inne leki na receptę, upewniając się jednocześnie o braku stosowania narkotyków rekreacyjnych oraz braku zaburzeń neurologicznych, epilepsji, chorób serca, bezdechu sennego, choroby lokomocyjnej i klaustrofobii. Ponieważ w dalszej kolejności istotne będzie uzyskanie szczelnego przylegania maski anestezjologicznej, należy wykluczyć uczestników z dużymi brodami, chyba że wyrażą oni zgodę na jej zgolenie.
      UWAGA: Wykluczyć kobiety ze względu na udokumentowany wpływ menstruacji57 i/lub ekstremalnych wartości wieku na sygnał spoczynkowy MEG/EEG, a także zwiększoną skłonność do nudności i wymiotów58.
  2. Postępować zgodnie z procedurą jednodniowego znieczulenia ogólnego zgodnie z wytycznymi Australia and New Zealand College of Anaesthetists (ANZCA) (Dokument PS15).
    1. Zgodnie z tymi wytycznymi, poprosić badanych o powstrzymanie się od jedzenia przez co najmniej 6 godzin i od picia jakichkolwiek płynów przez co najmniej 2 godziny przed rozpoczęciem eksperymentu. Potwierdzić przestrzeganie tych zasad poprzez kontakt anestezjologa z uczestnikiem w dniu poprzedzającym badanie.
    2. Po zakończeniu eksperymentu poddać badanych standardowemu monitorowaniu opieki poanestezjologicznej, instruując ich, aby nie obsługiwali ciężkich maszyn ani nie podejmowali ważnych decyzji w ciągu 24 godzin od eksperymentu (ze względu na możliwość wystąpienia resztkowego, niskiego poziomu upośledzenia funkcji poznawczych po podaniu Xe i N2O).

2. Zaplecze i sprzęt

UWAGA: Pomieszczenia są zgodne z wymogami ANZCA dotyczącymi podawania znieczulenia poza standardową salą operacyjną (http://www.anzca.edu.au/resources/professional-documents. Dokument PS55). W szczególności pomieszczenie spełnia przepisy techniczne dotyczące bezpieczeństwa elektrycznego i podawania gazów medycznych.

  1. Przeprowadź eksperyment w laboratorium obrazowania mózgu Swinburne Advanced Technology Centre, a konkretnie w pomieszczeniu MEG, w którym znajduje się ekranowane magnetycznie pomieszczenie (MSR) mieszczące skaner MEG. Pomieszczenie ekranowane spoczywa na pływającej podłodze, izolującej je od drgań środowiskowych, takich jak przejeżdżające pociągi.
  2. Podawaj gazy anestetyczne za pomocą aparatury do znieczulenia zlokalizowanej poza MSR, zdolnej do podawania i monitorowania gazowego ksenonu. Ta aparatura została specjalnie zaprojektowana do podawania Xe w zamkniętej pętli przy niskim przepływie oraz do pomiaru końcowych stężeń Xe w czasie wydechu za pomocą katarometrii (przewodność cieplna; dokładność ± 1%), oprócz zapewnienia standardowego monitorowania pacjenta. Obejmuje ono pomiar końcowego stężenia O2, CO2, N2O (tam, gdzie jest to odpowiednie), pulsoksymetrię, EKG 3-odprowadzeniowe oraz nieinwazyjny pomiar ciśnienia tętniczego krwi (NIBP) zgodnie z wytycznymi ANZCA w dokumencie PS18. Mierz końcowe stężenia N2O za pomocą spektroskopii podczerwieni zintegrowanej z aparaturą do znieczulenia.
    1. Doprowadź gazy do uczestników za pomocą przedłużonych węży oddechowych o średnicy 2 mm przechodzących przez kanały MSR.
  3. Zapewnij standardowe monitorowanie pacjenta zgodnie z wytycznymi ANZCA w dokumencie PS18. Obejmuje ono pomiar końcowego stężenia O2, CO2, N2O (tam, gdzie jest to odpowiednie), pulsoksymetrię, EKG 3-odprowadzeniowe oraz nieinwazyjny pomiar ciśnienia tętniczego krwi (NIBP).
    1. Monitoruj ciśnienie krwi zgodnie z wytycznymi ANZCA w dokumencie PS18, używając nieinwazyjnego monitora ciśnienia krwi znajdującego się poza MSR i połączonego długą rurką do nadmuchiwania z mankietem założonym na ramieniu.
    2. Przez cały czas trwania eksperymentu rejestruj i dokumentuj wszystkie parametry fizjologiczne w odstępach 1 min, oprócz zautomatyzowanego zapisu wszystkich parametrów co 30 s.
  4. Upewnij się, że gazy są doprowadzane do uczestników za pomocą przedłużonych węży oddechowych o średnicy 2 mm przechodzących przez kanały MSR. System ssący znajduje się poza MSR, a długa rurka doprowadzająca, połączona z kaniulą ssącą typu Yankauer, przechodzi przez kanał, aby zostać umieszczoną blisko pacjenta oraz obserwatora klinicznego.
    1. Dodatkowo upewnij się, że wewnątrz MSR w pobliżu znajdują się naczynia na wymiociny, aby obserwator mógł je szybko ustawić w razie wystąpienia wymiotów. Obserwator kliniczny wewnątrz MSR musi zachować czujność w kwestii wszelkich niedrożności dróg oddechowych, reagując początkowo przez uniesienie żuchwy lub wysunięcie żuchwy do przodu i natychmiast przerywając protokół, jeśli nadchodzące wymioty zostaną zasygnalizowane nadmiernym przełykaniem lub odruchem wymiotnym, bądź jeśli niedrożność dróg oddechowych nie zostanie usunięta poprzez uniesienie lub wysunięcie żuchwy.
  5. Rejestruj EEG za pomocą kompatybilnej z MEG 64-kanałowej czapki z elektrodami Ag/AgCl, podłączonej do wzmacniacza zasilanego bateryjnie wewnątrz MSR. Wzmacniacz jest połączony za pomocą kabla światłowodowego i odpowiedniego konwertera mediów z laptopem z uruchomionym kompatybilnym oprogramowaniem akwizycyjnym.
  6. Rejestruj aktywność magnetycznego pola mózgu (MEG) przy częstotliwości próbkowania 10 Hz, korzystając z systemu MEG, który zapewnia pokrycie całego mózgu i posiada dobrze zdefiniowane macierze czujników, które mogą obejmować magnetometry oraz gradiometry osiowe/płaskie; w niniejszym badaniu wykorzystano system składający się ze 102 magnetometrów i 204 gradiometrów płaskich. Aby uniknąć komplikacji niezwiązanych bezpośrednio z protokołem lub konfiguracją systemu MEG, raportowane są dane pochodzące z samych magnetometrów, choć w ramach protokołu pozyskiwane są dane zarówno z magnetometrów, jak i gradiometrów.
  7. Śledź pozycję głowy w sposób ciągły za pomocą 5 cewek wskaźnika pozycji głowy (HPI). Zdigitalizuj położenie cewek głowy, elektrod EEG i markerów fiducjalnych (nasion oraz lewego i prawego punktu przedusznego) przed skanowaniem MEG, używając odpowiedniego sprzętu do digitalizacji.
    1. Ponieważ celem jest uzyskanie wyników w przestrzeni źródłowej, wyłącz wszelkie wewnętrzne aktywne systemy ekranowania stosowane przez system MEG do trójwymiarowej redukcji szumów, aby uelastycznić proces przetwarzania w odniesieniu do stosowanych zazwyczaj metod separacji przestrzeni sygnałów (SSS).
    2. Użyj skanera MRI, aby uzyskać odpowiadające temu strukturalne obrazy mózgu ważone T1 do późniejszej korejestracji z zapisami M/EEG.

3. Projekt badania i protokół

UWAGA: Zastosowano dwukierunkowy protokół eksperymentalny z naprzemiennością (crossover). Dla każdego badanego należy przeprowadzić dwie oddzielne sesje testowe, z maksymalnym odstępem czterech tygodni pomiędzy nimi. Pierwsze ramię badania polega na podaniu Xe, natomiast w drugim ramieniu podawany jest N2O. Uczestnicy nie wiedzą, jaki gaz jest podawany, podczas gdy personel medyczny i badacze są tego świadomi ze względu na niewielkie różnice w procedurze podawania tych gazów.

  1. Po uzyskaniu świadomej zgody należy potwierdzić kwalifikowalność uczestnika poprzez szczegółowy wywiad dotyczący historii medycznej oraz pomiar parametrów życiowych, obejmujący ciśnienie tętnicze, częstotliwość akcji serca, temperaturę ciała i szczytowy przepływ wydechowy. Po potwierdzeniu kwalifikowalności uczestnika, badany zostaje poddany krótkiemu pomiarowi w MEG w celu upewnienia się, że nie występują nieprzewidziane źródła szumów.
  2. Załóż czepek EEG na głowę badanego i nanieś żel na wszystkie elektrody. Przymocuj do czepka 5 cewek HPI, aby stale rejestrować pozycję głowy w MEG.
    1. Zdigitalizuj kanały EEG, pozycje cewek HPI oraz dodatkowe punkty na nosie badanego, a następnie zapisz wszystkie lokalizacje przy użyciu dołączonego pakietu oprogramowania systemu MEG.
    2. Przenieś badanego do MSR, podłącz czepek z elektrodami do wzmacniacza EEG i w razie potrzeby ponownie nałóż żel na elektrody, aby upewnić się, że ich impedancje styku elektrycznego są niższe niż 5 kΩ.
  3. Oprócz MEG i EEG, wykonaj trzy dodatkowe bipolarne zapisy biokanałów.
    1. Ponieważ podanie środka znieczulającego wiąże się ze zmianami napięcia mięśniowego, należy zarejestrować elektromiogram (EMG), używając pary jednorazowych elektrod Ag/AgCl umieszczonych podbródkowo w celu rejestracji aktywności mięśnia kostnojęzykowego oraz mięśnia dwobrzuchowego (brzuszkca przedniego).
    2. Zarejestruj elektrookulogram (EOG), mocując parę elektrod nad jednym z oczu, w pobliżu brwi oraz w pobliżu odpowiadającego mu kącika oka, a następnie wykonaj zapisy trójodprowadzeniowego elektrokardiogramu (EKG), używając elektrod na każdym nadgarstku i elektrody uziemiającej na łokciu (patrz Rysunek 1).
  4. Poproś uczestników, aby przez cały czas trwania faz rejestracji w eksperymencie trzymali oczy zamknięte.
  5. Opiekę kliniczną nad badanym należy sprawować we współpracy z anestezjologiem i pielęgniarką anestezjologiczną lub innym odpowiednio przeszkolonym obserwatorem klinicznym. Pielęgniarka/obserwator powinni przebywać z badanym w pomieszczeniu MSR, aby stale monitorować stan uczestnika (w szczególności szczelność maski twarzowej oraz drożność dróg oddechowych), natomiast anestezjolog powinien znajdować się w pokoju kontrolnym, aby zarządzać podawaniem gazów i nadzorować monitoring elektroniczny.
  6. Zbierz dane w trzyosobowym zespole: jeden członek monitoruje i kontroluje akwizycję sygnału MEG, drugi monitoruje i kontroluje akwizycję EEG, a trzeci uruchamia i zatrzymuje komputerowy test ciągłej wydajności słuchowej (CPT), monitorując jednocześnie reakcje badanych, koordynując cały harmonogram eksperymentu oraz zapisując minutowe ciśnienie tętnicze, stężenia gazów w powietrzu wydychanym oraz przepływ gazów dostarczany przez anestezjologa.
  7. Należy prowadzić ciągły monitoring wizyjny uczestnika w MSR za pomocą odpowiedniej kamery, która rejestruje również wszystkie etapy eksperymentu w celu późniejszej oceny i analizy.
  8. Należy behawioralnie mierzyć aktualny poziom responsywności przez cały czas trwania eksperymentu, wykorzystując słuchowe zadanie ciągłej wydajności (aCPT). Do emitowania binauralnego sygnału dźwiękowego o częstotliwości 1 lub 3 kHz i stałej amplitudzie stereo (ok. 76 dBA) należy użyć słuchawek kompatybilnych z MEG, z odstępem międzybodźcowym od 2 do 4 sekund, losowanym z rozkładu jednostajnego.
    1. Poproś uczestnika o jak najszybsze odpowiadanie przy użyciu dwóch oddzielnych paneli z przyciskami, trzymanych w obu dłoniach. Przyciski lewy i prawy w każdym panelu odpowiadają odpowiednio tonowi o niskiej lub wysokiej częstotliwości, natomiast lewy i prawy panel służą uczestnikowi do wskazania odpowiednio braku lub obecności nudności.
  9. Należy uważnie monitorować reaktywność przez cały czas trwania eksperymentu. Latencja czasu reakcji oraz dokładność (procent poprawnie sklasyfikowanych tonów) są rejestrowane automatycznie, a także wyświetlane na monitorze poza MSR, aby badacze mogli uzyskać informację w czasie rzeczywistym o stanie behawioralnym uczestników.
    1. Po wielokrotnych następujących po sobie odpowiedziach przyciskiem prawym w pudełku sterującym (wskazujących na nudności), należy powiadomić obserwatora w MSR oraz anestezjologa podającego gaz, że podawanie gazu może wymagać nagłego przerwania w celu uniknięcia wymiotów.
  10. Należy zarejestrować 5-minutowe spoczynkowe EEG i MEG przy zamkniętych oczach, a następnie wykonać 5-minutowy pomiar bazowy EEG/MEG przy zamkniętych oczach, podczas gdy badany wykonuje zadanie aCPT.
  11. Wyjąć badanego z rezonansu magnetycznego (MSR) i umożliwić anestezjologowi wprowadzenie kaniuli dożylnej o rozmiarze 20G w lewym dole łokciowym. Podać lek przeciwwymiotny w postaci 4 mg deksametazonu i 4 mg ondansetronu w wolnym wlewie w czasie od 1 do 2 minut.59następnie, aby zapobiec wymiotom wywołanym inhalacją gazu anestetycznego, co często obserwuje się przy N2o przy zastosowaniu wyższych stężeń60.
  12. Przymocuj maskę twarzową i obwód oddechowy do badanego, używając zmodyfikowanej uprzęży stosowanej w urządzeniach do ciągłego dodatniego ciśnienia w drogach oddechowych (CPAP) w bezapnoeicznym śnie, a następnie sprawdź komfort badanego oraz brak wycieków przy ciśnieniu 5 cm H2O.2O dodatnim ciśnieniu.
  13. Należy ponownie wprowadzić badanego do MSR, aby pozostał w pozycji siedzącej w MEG do zakończenia badania.
  14. Należy podjąć szereg działań zapobiegawczych, aby ograniczyć ruchy badanego podczas jednoczesnych rejestracji MEG i EEG, ponieważ ruchy głowy i ciała mogą powodować powstawanie znacznych artefaktów w zapisach elektromagnetycznych, a ich wystąpienie jest spodziewane podczas podawania dysocjacyjnych środków znieczulających ze względu na ich znaną zdolność do wywoływania pobudzenia psychoruchowego.
    1. Na głowie należy umieścić wykonaną na zamówienie czapeczkę z bezbarwnej pianki o niskiej gęstości, która stabilizuje pozycję głowy wewnątrz hełma naczynia MEG niezależnie od jego rozmiaru i kształtu.
    2. Ponadto należy zastosować tkaninową uprząż owiniętą wokół ud i mięśni pośladkowych i przymocowaną do oparcia krzesła MEG, aby zminimalizować wszelkie osiadanie lub zsuwanie się uczestnika w pozycji pionowej (patrz Rycina 1).
    3. Podczas rejestracji należy stale monitorować pozycję głowy przy użyciu cewek HPI, aby móc ją przeanalizować w trybie offline po zakończeniu eksperymentu (szczegóły znajdują się w sekcji analizy danych).
  15. Po bezpiecznym ustawieniu uczestnika należy podać 10% tlenu w powietrzu wdychanym.2 i kontynuuj to przez maksymalnie 30 minut, aż ich końcowe stężenie O22 stężenie wynosi >90%, co wskazuje na ich skuteczne odazotowanie – proces niezbędny do zapewnienia dokładnych pomiarów stężeń gazów anestetycznych w powietrzu wydychanym w końcowej fazie wydechu.
    1. W ciągu ostatnich 5 minut denitrogenizacji należy przeprowadzić końcowy, 5-minutowy pomiar EEG/MEG aCPT w stanie spoczynku z zamkniętymi oczami, aby zapewnić możliwość późniejszego określenia i kontrolowania wszelkich wpływów, jakie podanie leku przeciwwymiotowego oraz denitrogenizacja mogą mieć na aktywność mózgu.
    2. Należy porównać to trzecie nagranie bazowe z poprzednimi pomiarami bazowymi (spoczynek z zamkniętymi oczami bez leku przeciwwymiotowego oraz zadanie z zamkniętymi oczami bez leku przeciwwymiotowego), aby określić wpływ leku przeciwwymiotowego oraz aCPT na spontaniczne/spoczynkowe M/EEG. W manuskrypcie pomiary bazowe określono jako bazowe 1, 2 i 3 odpowiednio dla: spoczynku z zamkniętymi oczami bez leku przeciwwymiotowego, zadania z zamkniętymi oczami bez leku przeciwwymiotowego oraz zadania z zamkniętymi oczami z lekiem przeciwwymiotowym.

Eksperyment neuronaukowy, obrazowanie mózgu MEG, konfiguracja EEG, monitorowanie aktywności mózgu, zbieranie danych.
Rysunek 1Zdjęcia przedstawiające rozmieszczenie elektrod EEG, EOG, EMG i ECG oraz ogólną konfigurację wewnątrz MSR. (A) przedstawia kompatybilną z MEG czepek 64-kanałowy użyty do rejestracji EEG; EOG rejestrowano za pomocą dwóch elektrod pokazanych powyżej i poniżej lewego oka, EMG rejestrowano za pomocą dwóch elektrod umieszczonych pod żuchwą, a ECG rejestrowano za pomocą dwóch elektrod umieszczonych na nadgarstku. (B) przedstawia wykonaną na zamówienie piankową czapeczkę i pasy użyte do zminimalizowania ruchów badanego podczas rejestracji. (C) demonstruje końcową konfigurację wymaganą do podania środka znieczulającego, która obejmuje ustawienie głowy wewnątrz MEG oraz przymocowanie szczelnie dopasowanej maski gazowej. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

4. Protokół podawania gazu

UWAGA: Protokół podawania gazu różni się nieco w zależności od ramienia badania.

  1. Podaj Xe na czterech stopniowo zwiększanych poziomach, a N2O na trzech stopniowo zwiększanych poziomach. Pierwsze trzy poziomy każdego gazu odpowiadają równoważnym poziomom MAC-awake wynoszącym 0,25 (poziom 1), 0,5 (poziom 2) i 0,75 (poziom 3) stężenia MAC-awake. Stężenia te wynoszą odpowiednio 8%, 16%, 24% dla Xe/O2 oraz 16%, 32%, 47% dla N2O/O2.
    UWAGA: 4ty poziom dla Xe odpowiada 1,3-krotności stężenia MAC-awake.
  2. Wybierz 4ty poziom gazu dla Xe w taki sposób, aby oczekiwać utraty przytomności u 95% uczestników na tym poziomie (wszyscy badani dotychczas pacjenci osiągnęli całkowitą utratę reaktywności podczas zadania aCPT). Ze względu na dobrze udokumentowaną skłonność N2O do wywoływania nudności i wymiotów przy wysokich stężeniach, nie należy wprowadzać poziomu N2O o stężeniu wystarczającym do wywołania utraty przytomności u 95% uczestników (~75%). Rysunek 2 przedstawia profile podawania gazów.
  3. Stosuj tę samą procedurę eksperymentalną dla wszystkich równoważnych poziomów MAC dla Xe i N2O z wyjątkiem poziomu 42% Xe/O2, który wymaga nieco innej metodologii (patrz punkt 4.4. poniżej).
    1. Na początku każdego poziomu poinformuj badanego oraz pielęgniarkę anestezjologiczną/obserwatora klinicznego o rozpoczęciu podawania gazu, rozpocznij rejestrację EEG i MEG, daj sygnał anestezjologowi podającemu gaz o rozpoczęciu podawania i uruchom zadanie aCPT. Następnie następuje okres nasycenia gazem (wash-in) trwający 10 minut, tak aby docelowe stężenie gazu w powietrzu wydychanym zostało osiągnięte pod koniec tego okresu i utrzymywane przez 5 minut (założona faza stanu stacjonarnego).
    2. Po zakończeniu tego 5-minutowego okresu stanu stacjonarnego przeprowadź wypłukiwanie (wash-out) poprzez podawanie 10% O2 przez okres 10 minut, podczas którego stężenie gazu w powietrzu wydychanym powróci do 0.
    3. Powtórz procedurę dla następnego stopnia poziomu gazu.
      UWAGA: Oczekuje się, że utrata reaktywności (LOR) dla Xe zostanie osiągnięta u 95% uczestników przy stężeniu 42% Xe/O261. Podawanie na tym poziomie przebiega tak jak w przypadku niższych poziomów, aż do momentu, gdy zarówno pielęgniarka anestezjologiczna/obserwator kliniczny, jak i brak reakcji przyciskiem wskażą LOR.
  4. Po osiągnięciu LOR utrzymuj poziom gazu Xe przez 10 minut lub do momentu, gdy anestezjolog lub pielęgniarka anestezjologiczna/obserwator kliniczny uznają dalsze podawanie za niebezpieczne, po czym następuje wypłukiwanie 10% O2. Sytuacje, w których anestezjolog może uznać kontynuację za niebezpieczną, obejmują częste naciskanie prawego przycisku sygnalizujące nudności, odgłosy krtaniowe, objawy wymiotów, takie jak nadmierne ślinienie się lub połykanie, oraz reakcje wazowagalne.
    UWAGA: Na tym najwyższym poziomie zachowaj szczególną ostrożność i przyjmij niski próg kliniczny dla przerwania podawania gazu Xe. Doświadczenie autorów sugeruje, że poziom ten może wiązać się z ograniczeniem odruchu połykania, gromadzeniem się śliny i występowaniem zachowań przypominających odruchy wymiotne, co w przypadku kontynuacji może zwiastować aspirację do maski. Naturalnie konsekwencją może być zagrażająca życiu aspiracja. Możliwe jest również wystąpienie mniej intensywnych reakcji przy niższych poziomach gazu, dlatego należy zachować wysoką czujność podczas podawania wszystkich stopniowych poziomów gazu. Poza tymi potencjalnymi problemami z drogami oddechowymi, należy być świadomym możliwości wystąpienia omdlenia wazowagalnego, szczególnie u młodszych mężczyzn. Ich wiek oraz czasowe ograniczenia w przyjmowaniu płynów i pokarmów są czynnikami ryzyka62.

Harmonogramy podawania tlenku azotu i ksenonu; stężenie w funkcji czasu; środek SCP; monitorowanie EEG/MEG.
Rycina 2Podsumowanie profili podawania gazów dla Xe i N2 2O. Oś czasu i stężenia gazów w trakcie podawania leku dla N2O (góra) i Xe (dół). Liczby nad każdą osią czasu wskazują czas w minutach od momentu rozpoczęcia podawania pierwszego gazu. Każdy poziom maksymalnego stężenia gazu po osiągnięciu stanu równowagi jest uzyskiwany poprzez 10-minutowy okres wyrównywania, po którym następuje 5-minutowy stan stacjonarny, podczas którego utrzymywane jest maksymalne stężenie gazu po osiągnięciu stanu równowagi, a następnie 10-minutowy okres wypłukiwania. Maksymalne stężenia gazu po osiągnięciu stanu równowagi zwiększają się sekwencyjnie w czasie. Należy zauważyć, że na schemacie nie przedstawiono osi czasu przygotowania do eksperymentu ani okresu po podaniu gazu. Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

5. Skan strukturalny

  1. Przed badaniem MRI umieść kapsułki z witaminą E na głowie uczestnika, aby posłużyły jako znaczniki wyznaczające zdigitalizowane punkty powolne dla wierzchołka nosa oraz lewego i prawego punktu przedusznego. Zapewnia to lepszą korejestrację czujników MEG/EEG i obrazów MRI mózgu przy próbie powiązania obrazowania źródeł MEG/EEG z neuroanatomią opartą na MRI.
  2. Wykonaj pojedynczy strukturalny obraz MRI T1-zależny, albo po zakończeniu etapu badania, jeśli uczestnik czuje się dobrze, w przeciwnym razie poproś go o powrót w innym dniu w celu wykonania strukturalnego obrazowania mózgu.

6. Obserwacja uczestników

UWAGA: Badany może opuścić miejsce badań w obecności przyjaciela lub krewnego.

  1. Po zakończeniu badania poproś uczestnika o wypełnienie skróconej wersji 5-wymiarowej skali oceny zmienionych stanów świadomości (5D-ASC); jest to kwestionariusz zaprojektowany do badania różnic indywidualnych poprzez porównanie normalnego i zmienionego stanu świadomości za pomocą wizualnej skali analogowej63,64.
  2. Dodatkowo poproś o przesłanie krótkiego opisu ogólnych wrażeń z przebiegu eksperymentu, a także szczegółowych informacji na temat jakościowych efektów zależnych od poziomu.
  3. Oba te dokumenty powinny zostać wypełnione i przesłane do badaczy w ciągu 24 godzin po każdej sesji nagraniowej.

7. Analiza danych

UWAGA: Ta sekcja opisuje podstawową analizę danych na poziomie czujników MEG/EEG, obejmującą etapy generowania przykładów wstępnie przetworzonych danych MEG/EEG, topografii spektralnej, ruchów głowy, oceny responsywności oraz potencjałów wywołanych słuchowo. Celem niniejszego artykułu jest przedstawienie typowych przykładów, aby czytelnik mógł zrozumieć istotne cechy zarejestrowanych danych. Nie przeprowadzono analiz statystycznych wewnątrzobiektowych ani grupowych, ponieważ głównym celem tej sekcji analizy jest szczegółowe omówienie ważnych kroków wstępnego przetwarzania, które potwierdzają jakość i spójność zebranych danych. Nie podano szczegółów dotyczących licznych analiz, które można by przeprowadzić na tych danych5,56, ponieważ wykraczają one poza zakres opisu metody.

  1. Przeprowadź pełną analizę danych offline na komputerze stacjonarnym, korzystając z odpowiedniego oprogramowania do analizy danych oraz właściwych narzędzi do przetwarzania danych EEG i MEG. W procedurze autorów należy użyć wersji 20160801 zestawu narzędzi Fieldtrip65.
  2. Oblicz ruchy głowy podczas każdego pomiaru MEG, najpierw uzyskując ciągłe pozycje głowy jako sekwencję współrzędnych kwaternionowych poprzez analizę sygnałów z 5 cewek HPI zapisanych jako część każdego z pomiarów MEG zależnych od poziomu gazu oraz pomiarów bazowych. Przetwórz pozycje głowy z formatu kwaternionowego na współrzędne kartezjańskie.
  3. Zgrupuj 6 i 7 pomiarów dla ram badania N2O i Xe (poziomy bazowe 1, 2 i 3, poziomy gazu od 1 do 3 lub od 1 do 4 odpowiednio). Przesuń czasowo surowe dane EEG względem danych MEG w celu synchronizacji obu typów sygnałów w oparciu o wspólny kanał wyzwalający. Taka forma synchronizacji wynika z wyboru systemu rejestracji EEG.
    UWAGA: Wiele systemów MEG posiada wbudowany system EEG, który oferuje bardzo dokładną elektroniczną synchronizację poziomów MEG i EEG, ale często charakteryzuje się niską rozdzielczością kwantyzacji przetwornika DAC (16 bitów). Z tego powodu należy zastosować zewnętrzny system EEG (patrz 2.3) o wyższej 24-bitowej rozdzielczości amplitudy EEG, aby zapewnić wyższą tolerancję na potencjały offsetowe elektrod, możliwość pomiaru informacji niskoczęstotliwościowych oraz płaską charakterystykę częstotliwościową we wszystkich kanałach.
  4. Dla wszystkich pomiarów obejmujących podawanie gazu i wykonywanie aCPT, zdefiniuj ponownie czas zero jako moment rozpoczęcia zadania aCPT/podawania gazu.
  5. Wizualnie sprawdź surowe dane MEG i wyklucz wszelkie wadliwe kanały z dalszej analizy. Następnie przefiltruj dane, korzystając z algorytmu czasowej separacji przestrzeni sygnałów (temporal signal-space separation algorithm)76 zaimplementowanego w oprogramowaniu systemu MEG. Algorytm ten tłumi źródła zakłóceń magnetycznych poza macierzą czujników, co skutkuje redukcją artefaktów zewnętrznych lub wynikających z ruchu ciała sztywnego. Zaimportuj wynikowy zestaw danych do oprogramowania do analizy danych, wybierając magnetometry (102 kanały) do dalszego przetwarzania.
  6. Zastosuj filtr pasmowy dla MEG w zakresie od 2 do 50 Hz oraz filtry przeciwzakłóceniowe sieciowe przy 50, 100 i 150 Hz. Wizualna detekcja artefaktów oraz automatyczna procedura detekcji artefaktów zaimplementowana w oprogramowaniu Fieldtrip pozwalają na usunięcie wszelkich elementów artefaktycznych. Wizualnie sprawdź segmenty zawierające mrugnięcia oczami, uderzenia serca lub artefakty mięśniowe i wyklucz je z danych, podobnie jak wszelkie segmenty skorelowane ze znacznymi zmianami ruchu głowy przekraczającymi 5 mm (patrz poniżej).
    UWAGA: Ruchy większe niż 5 mm względem początku każdego 5-minutowego okresu bazowego lub okresu nasycenia gazem są podstawą do odrzucenia ciągle pozyskiwanych danych MEG, ponieważ obrazowanie źródeł MEG ma zazwyczaj rozdzielczość przestrzenną rzędu 5 mm (np. dla beamformerów MEG/EEG5). Możliwe jest jednak przeprowadzenie kompensacji ruchu danych MEG6 zamiast odrzucania segmentów danych skorelowanych ze znacznym ruchem głowy, jednak takie metody wykraczają poza zakres niniejszego opracowania.
  7. Podobnie jak w przypadku danych MEG, wizualnie sprawdź surowe dane EEG z 64 kanałów i wyklucz wszelkie wadliwe kanały z dalszej analizy danych. Przefiltruj dane filtrem pasmowym w tych samych zakresach częstotliwości, co dla MEG. Przypisz EEG nową referencję w postaci średniej wspólnej (common average), co jest standardem w podejściach do obrazowania źródeł. Na koniec usuń wszelkie segmenty zawierające artefakty współwystępujące z artefaktami w odpowiadających im danych MEG.
  8. Aby zwizualizować właściwości spektralne danych MEG/EEG, oblicz jednostronne widma amplitudy wzdłuż linii środkowej przednio-tylnej dla kanałów EEG FPz, Cz i Oz oraz dla środkowych czołowych, centralnych i potylicznych kanałów magnetometrycznych MEG (Rysunek 3).
    1. Oblicz topograficzną mapę mocy pasma alfa (8-13 Hz) na poziomie czujników dla MEG/EEG, biorąc pod uwagę, że silne zmiany w paśmie alfa były wcześniej obserwowane dla N2O i anestetyków GABAergicznych25,31,67.
    2. W przypadku danych EEG użyj kanału FPz jako referencji do obliczenia topograficznej mocy pasma alfa, aby lepiej uwydatnić zmiany mocy alfa.

Schemat rozmieszczenia elektrod EEG do pomiaru aktywności mózgu, z zaznaczeniem konkretnych punktów aplikacji elektrod.
Rycina 3Rozmieszczenie czujników EEG (A) i MEG (B) widziane z góry głowy i rzutowane na płaszczyznę. Należy zwrócić uwagę na strukturę tripletów MEG, w której czujniki kończące się na ###1 są magnetometrami, a czujniki kończące się na ###2 lub ###3 są gradiometrami. Czerwone ramki wskazują kanały wzdłuż linii środkowej przednio-tylnej, wykorzystywane do wizualizacji właściwości spektralnych EEG i MEG: FPz (czołowy), Cz (centralny) i Oz (potyliczny) oraz odpowiednio kanały magnetometrów czołowych, centralnych i potylicznych. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.

  1. Uzyskaj odpowiedzi wywołane słuchowo dla przefiltrowanych danych MEG i EEG wolnych od artefaktów dla każdego nagrania obejmującego zadanie aCPT. Podziel sygnały na epoki od -10 ms do +20 ms względem momentów wyzwalania tonu i uśrednij wszystkie dostępne epoki wolne od artefaktów. Uwzględnij opóźnienie pomiędzy wygenerowaniem sygnału wyzwalającego a dostarczeniem dźwięku do ucha, które w tym przypadku wynosi 190.5 ms.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

W tej sekcji wykorzystano dane uzyskane od jednego badanego, aby zaprezentować typowe cechy jednoczesnych rejestracji oraz potencjał takich informacji w celu lepszego zrozumienia indukowanych anestetykami zmienionych stanów świadomości. Aby uprościć wykład, wyniki przedstawiono dla: i) rejestracji bazowych po podaniu leku przeciwwymiotowego (baseline 3), ii) szczytowych stężeń gazów wynoszących 0,75 equi-MAC-awake (poziom 3) dla N2O (47%) i Xe (24%) oraz iii) szczytowego stężen...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

W artykule tym przedstawiono kompleksowy protokół jednoczesnego rejestrowania MEG i EEG podczas podawania gazu znieczulającego zN2Oi Xe. Taki protokół będzie cenny dla badania elektromagnetycznych korelatów neuronalnych redukcji świadomości wywołanych znieczuleniem. Oczekuje się również, że protokół zostanie uogólniony na dostarczanie innych gazów znieczulających, takich jak sewofluran lub izofluran. Ułatwi to lepsze zrozumienie powszechnych, specyficznych i odrębnych mechanizmów makroskopowych, które leżą u p...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Autorzy chcieliby podziękować Mahli Cameron Bradley, Rachel Anne Batty i Johannie Stephens za cenną pomoc techniczną przy zbieraniu danych MEG. Podziękowania należą się również dr Stevenowi McGuiganowi za wsparcie jako drugiego anestezjologa. Paige Pappas zapewniła nieoceniony nadzór pielęgniarki anestezjologicznej. Markus Stone łaskawie zaoferował swój czas i doświadczenie w montażu i filmowaniu protokołu. Dr Suresh Muthukumaraswamy udzielił konkretnych porad dotyczących analizy danych i interpretacji wyników. Wreszcie, Jarrod Gott wniósł wiele inspirujących dyskusji, pomógł w przeprowadzeniu wielu eksperymentów pilotażowych i odegrał kluczową rolę w projektowaniu piankowej ortezy głowy.

To badanie zostało wsparte wspólnym grantem Jamesa S. McDonnella #220020419 "Rekonstrukcja świadomości" przyznanym George'owi Mashourowi, Michaelowi Avidanowi, Maxowi Kelzowi i Davidowi Lileyowi.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Neuromag TRIUX 306-kanałowy system MEGElekta Oy, Sztokholm, SZWECJANie dotyczy
Polhemus Fastrak 3D SystemPolhemus, VT, USAkompatybilne z N/A
MEGEtymotic Research Inc., IL, USAN/A
Nasadka na głowę z pianki o niskiej gęstości, kompatybilna z MEGAN/A/AWykonane na zamówienie przez zespół badawczy
Uprząż, MEG kompatybilnyN/A~ 3 m długości, ~ 5 cm szerokości, pasek z tkaniny/juty do zabezpieczenia pozycji uczestnika na krześle MEG
Elektrody powierzchniowe Ambu Neuroline 720 dla jednego pacjentaAmbu, Kopenhaga, Dania72015-K10
3.0T System rezonansu magnetycznego TIM TrioSiemens AB, Erlangen, NIEMCYdotyczy
System wzmacniaczy AsalabANT Neuro, Enschede, HOLANDIANie dotyczyten system nie jest już produkowany i został wycofany do 64-kanałowy wzmacniacz EEG eego
64-kanałowa nasadka EEG Waveguard, kompatybilna z MEGANT Neuro, Enschede, HOLANDIARozmiar CA-138Średni
Magnetycznie ekranowany akumulatorowy pojemnik na baterieANT Neuro, Enschede, HolandiaNie dotyczyEkranowanie magnetyczne nie jest dostarczane przez producenta – Zmodyfikowane przez zespół badawczy
OneStep ClearGel Elektroda żelowaH+H Medizinprodukte GbR, Münster, NIEMCY154547
Akzent Xe Color Anesthesia MachineStephan GmbH, Gackenbach, NIEMCY Niedotyczy
Ciśnieniomierz Omron M6-ComfortOmron Healthcare, Kioto, JAPONIAN/A
Gaz ksenonowy (czystość 99,999%)Coregas, Thomastown, VIC, AUSTRALIAN/Aszacujemy, że zużywamy około 40 L (SATP) na uczestnika
podtlenkiem azotuCoregas, Thomastown, VIC, AUSTRALIAN/Ax2 G butle
tlenem medycznymCoregas, Thomastown, VIC, AUSTRALIAN/Abutle o rozmiarze x2 G Medical
AirCoregas, Thomastown, VIC, AUSTRALIAN/Abutle o rozmiarze x2 G
Filtr Oddychanie i HMES z portem Capno HypnobagMedtronic, MN, USA352/5805
Yankauer High AdultMedtronic, MN, USA8888-502005
Maski anestezjologiczne Quadralite EcoMaskIntersurgical Australia Pty Ltd7093000/7094000rozmiar 3 i rozmiar 4
Kanister ssący Disp 1200 mL Medival GuardianCardinal Health, OH, USA65651-212
Mocowanie cewnika na zewnątrz 4-13 cm z  Kolano 90AMedtronic, MN, Stany Zjednoczone330/5667
Cewnik IV Optiva 24g x 19 mm Żółty St SuSmiths Medical, MN, USA5063-INT
Dexamethasone Mylan Fiolki do wstrzykiwań (4 mg/1 mL)Alphapharm Pty Ltd, Sydney, AUSTRALIA400528517
Ondasetron (4 mg/2 mL)Alphapharm Pty Ltd, Sydney, AUSTRALIA400008857
Medyczny wózek resuscytacyjnyWózek do resuscytacji medycznej jest skonfigurowany zgodnie z sugerowanymi minimalnymi wymaganiami dotyczącymi resuscytacji osób dorosłych, zalecanymi w dokumencie "Standardy resuscytacji: praktyka kliniczna i edukacja; czerwiec 2014 r.) przez Australijską i Nowozelandzką Radę Resuscytacji i specjalnie zatwierdzone przez wiele profesjonalnych organizacji opieki zdrowotnej, w tym Australijskie i Nowozelandzkie Kolegium Anestezjologów. Obejmuje wszystkie niezbędne urządzenia do udrażniania dróg oddechowych i krążenia, a także związane z nimi środki farmaceutyczne umożliwiające pełną resuscytację krążeniowo-oddechową i wsparcie w środowisku nieklinicznym. Szczegółowe informacje można znaleźć na stronie https://resus.org.au/standards-for-resuscitation-clinical-practice-and-education/
Maxfilter Version 2.2Elekta Oy, Sztokholm, SZWECJANie dotyczyOprogramowanie do analizy danych dostarczane z systemem Neuromag TRIUX MEG firmy Elekta
Słuchawki z wkładką ER-1 N Nie Medyczne butle z z

Bibliografia

  1. Hudetz, A. Suppressing the Mind. Hudetz, A., Pearce, R. , 178-189 (2010).
  2. Franks, N. P., Dickinson, R., de Sousa, S. L., Hall, A. C., Lieb, W. R. How does xenon produce anaesthesia? Nature. 396 (6709), 324(1998).
  3. Jevtović-Todorović, V., Todorović, S. M., Mennerick, S., Powell, S., Dikranian, K., Benshoff, N., Zorumski, C. F., Olney, J. W. Nitrous oxide (laughing gas) is an NMDA antagonist, neuroprotectant and neurotoxin. Nat Med. 4 (4), 460-463 (1998).
  4. Alkire, M. T., Hudetz, A. G., Tononi, G. Consciousness and Anesthesia. NIH Public Access. 322 (5903), 876-880 (2009).
  5. Fiset, P., et al. Brain Mechanisms of Propofol-Induced Loss of Consciousness in Humans: a Positron Emission Tomographic Study. The J Neurosci. 19 (13), 5506-5513 (1999).
  6. Schlünzen, L., et al. Effects of subanaesthetic and anaesthetic doses of sevoflurane on regional cerebral blood flow in healthy volunteers. A positron emission tomographic study. Acta Anaesthesiologica Scandinavica. 48 (10), 1268-1276 (2004).
  7. Alkire, M. T., et al. Cerebral Metabolism during Propofol Anesthesia in Humans Studied with Positron Emission Tomography. Anesthesiology. 82, 393-403 (1995).
  8. Alkire, M. T., Haier, R. J., Shah, N. K., Anderson, C. T. Positron Emission Tomography Study of Regional Cerebral Metabolism in Humans during Isoflurane Anesthesia. Anesthesiology. 86, 549-557 (1997).
  9. Alkire, M. T., et al. Functional Brain Imaging during Anesthesia in Humans. Effects of Halothane on Global and Regional Cerebral Glucose Metabolism. Anesthesiology. 90, 701-709 (1999).
  10. Kaike, K. K., et al. Effects of surgical levels of propofol and sevoflurane anesthesia on cerebral blood flow in healthy subjects studied with positron emission tomography. Anesthesiology. 6, 1358-1370 (2002).
  11. Prielipp, R. C., et al. Dexmedetomidine-induced sedation in volunteers decreases regional and global cerebral blood flow. Anesthesia and analgesia. 95 (4), table of contents 1052-1059 (2002).
  12. Mukamel, E. A., et al. A transition in brain state during propofol-induced unconsciousness. J Neurosci. 34 (3), 839-845 (2014).
  13. Boveroux, P., Vanhaudenhuyse, A., Phillips, C. Breakdown of within- and between-network Resting State during Propofol-induced Loss of Consciousness. Anesthesiology. 113 (5), 1038-1053 (2010).
  14. Pelligrino, D. A., Miletich, D. J., Hoffman, W. E., Albrecht, R. F. Nitrous oxide markedly increases cerebral cortical metabolic rate and blood flow in the goat. Anesthesiology. 60 (5), 405-412 (1984).
  15. Hansen, T. D., Warner, D. S., Todd, M. M., Vust, L. J. The role of cerebral metabolism in determining the local cerebral blood flow effects of volatile anesthetics: evidence for persistent flow-metabolism coupling. J Cereb Blood Flow Metab. 9, 323-328 (1989).
  16. Roald, O. K., Forsman, M., Heier, M. S., Steen, P. A. Cerebral effects of nitrous oxide when added to low and high concentrations of isoflurane in the dog. Anesth Analg. 72 (1), 75-79 (1991).
  17. Algotsson, L., Messeter, K., Rosén, I., Holmin, T. Effects of nitrous oxide on cerebral haemodynamics and metabolism during isoflurane anaesthesia in man. Acta Anaesthesiol Scand. 36 (1), 46-52 (1992).
  18. Field, L. M., Dorrance, D. E., Krzeminska, E. K., Barsoum, L. Z. Effect of nitrous oxide on cerebral blood flow in normal humans. Br J Anaesth. 70 (2), 154-159 (1993).
  19. Matta, B. F., Lam, A. M. Nitrous oxide increases cerebral blood flow velocity during pharmacologically induced EEG silence in humans. J Neurosurg Anesthesiol. 7 (2), 89-93 (1995).
  20. Langsjo, J. W., et al. Effects of subanesthetic doses of ketamine on regional cerebral blood flow, oxygen consumption, and blood volume in humans. Anesthesiology. 99 (3), 614-623 (2003).
  21. Reinstrup, P., et al. Regional cerebral metabolic rate (positron emission tomography) during inhalation of nitrous oxide 50% in humans. Br J Anaesth. 100 (1), 66-71 (2008).
  22. Rex, S., et al. Positron emission tomography study of regional cerebral blood flow and flow-metabolism coupling during general anaesthesia with xenon in humans. Br J Anaesth. 100 (5), 667-675 (2008).
  23. Laitio, R. M., et al. Effects of xenon anesthesia on cerebral blood flow in humans. Anesthesiology. 106 (6), 1128-1133 (2007).
  24. Laitio, R. M., et al. The effects of xenon anesthesia on the relationship between cerebral glucose metabolism and blood flow in healthy subjects: A positron emission tomography study. Anesthesia and Analgesia. 108 (2), 593-600 (2009).
  25. Yamamura, T., Fukuda, M., Takeya, H., Goto, Y., Furukawa, K. Fast oscillatory EEG activity induced by analgesic concentrations of nitrous oxide in man. Anesth Analg. 60 (5), 283-288 (1981).
  26. Rampil, I. J., Kim, J. S., Lenhardt, R., Negishi, C., DI, S. Bispectral EEG index during nitrous oxide administration. Anesthesiology. 89 (3), 671-677 (1998).
  27. Maksimow, A., et al. Increase in high frequency EEG activity explains the poor performance of EEG spectral entropy monitor during S-ketamine anesthesia. Clinical Neurophysiology. 117 (8), 1660-1668 (2006).
  28. Foster, B. L., Liley, D. T. J. Effects of nitrous oxide sedation on resting electroencephalogram topography. Clinical Neurophysiology. 124 (2), 417-423 (2013).
  29. Johnson, B. W., Sleigh, J. W., Kirk, I. J., Williams, M. L. High-density EEG mapping during general anaesthesia with Xenon and propofol: A pilot study. Anaesthesia and Intensive Care. 31 (2), 155-163 (2003).
  30. Foster, B. L., Bojak, I., Liley, D. T. J. Population based models of cortical drug response: Insights from anaesthesia. Cognitive Neurodynamics. 2 (4), 283-296 (2008).
  31. Kuhlmann, L., Liley, D. T. J. Assessing nitrous oxide effect using electroencephalographically-based depth of anesthesia measures cortical state and cortical input. J Clin Monit Comput. , (2017).
  32. Goto, T., et al. Bispectral analysis of the electroencephalogram does not predict responsiveness to verbal command in patients emerging from xenon anaesthesia. Br J Anaesth. 85 (3), 359-363 (2000).
  33. Laitio, R. M., Kaskinoro, K., Maksimow, A., Kangas, K., Scheinin, H. Electroencephalogram during Single-agent Xenon. Anesthesiology. 18 (1), 63-70 (2008).
  34. Hartmann, A., Dettmers, C., Schuier, F. J., Wassmann, H. D., Schumacher, H. W. Effect of stable xenon on regional cerebral blood flow and the electroencephalogram in normal volunteers. Stroke. 22 (2), 182-189 (1991).
  35. Lee, U., Müller, M., Noh, G. J., Choi, B., Mashour, G. a Dissociable network properties of anesthetic state transitions. Anesthesiology. 114 (4), 872-881 (2011).
  36. Ku, S. W., Lee, U., Noh, G. J., Jun, I. G., Mashour, G. A. Preferential inhibition of frontal-to-parietal feedback connectivity is a neurophysiologic correlate of general anesthesia in surgical patients. PLoS ONE. 6 (10), 1-9 (2011).
  37. Kuhlmann, L., Foster, B. L., Liley, D. T. J. Modulation of Functional EEG Networks by the NMDA Antagonist Nitrous Oxide. PLoS ONE. 8 (2), (2013).
  38. Greicius, M. D., et al. Persistent default-mode network connectivity during light sedation. Human Brain Mapping. 29 (7), 839-847 (2008).
  39. Deshpande, G., Sathian, K., Hu, X. Assessing and compensating for zero-lag correlation effects in time-lagged granger causality analysis of fMRI. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 57 (6), 1446-1456 (2010).
  40. Schrouff, J., et al. Brain functional integration decreases during propofol-induced loss of consciousness. NeuroImage. 57 (1), 198-205 (2011).
  41. Langsjo, J. W., et al. Returning from Oblivion: Imaging the Neural Core of Consciousness. J Neurosci. 32 (14), 4935-4943 (2012).
  42. Mukamel, E. A., Wong, K. F., Prerau, M. J., Brown, E. N., Purdon, P. L. Phase-based measures of cross-frequency coupling in brain electrical dynamics under general anesthesia. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc, EMBS. 6454, 1981-1984 (2011).
  43. Logothetis, N. K. What we can do and what we cannot do with fMRI. Nature Reviews Neuroscience. 453 (June), 869-878 (2008).
  44. Nunez, P. L., Srinivasan, R. Electric fields of the brain: the neurophysics of EEG. , Oxford University Press. USA. (2006).
  45. Hämäläinen, M. S., Hari, R., Ilmoniemi, R. J., Knuutila, J., Lounasmaa, O. V. Magnetoencephalography - theory, instrumentation, and applications to noninvasivee studies of the working human brain. Rev Modern Physics. 65 (2), 413-505 (1993).
  46. Nunez, P. L., Srinivasan, R. A theoretical basis for standing and traveling brain waves measured with human EEG with implications for an integrated consciousness. Clinical Neurophysiology. 117 (11), 2424-2435 (2006).
  47. Kayser, J., Tenke, C. E. In search of the Rosetta Stone for scalp EEG: Converging on reference-free techniques. Clinical Neurophysiology. 121 (12), 1973-1975 (2010).
  48. Barkley, G. L., Baumgartner, C. MEG and EEG in epilepsy. J Clin Neurophysiol. 20 (3), 163-178 (2003).
  49. Parra, L. C., Bikson, M. Model of the effect of extracellular fields on spike time coherence. . Conference proceedings: ... Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. Annual Conference, , 6 4584-4587 (2004).
  50. Liu, A. K., Dale, A. M., Belliveau, J. W. Monte Carlo simulation studies of EEG and MEG localization accuracy. Human Brain Mapping. 16 (1), 47-62 (2002).
  51. Cullen, S. C., Eger, E. I. 2nd, Cullen, B. F., Gregory, P. Observations on the anesthetic effect of the combination of xenon and halothane. Anesthesiology. 31 (4), 305-309 (1969).
  52. Hornbein, T. F., et al. The minimum alveolar concentration of nitrous oxide in man. Anesth Analg. 61 (7), 553-556 (1982).
  53. Fahlenkamp, A. V., et al. Evaluation of bispectral index and auditory evoked potentials for hypnotic depth monitoring during balanced xenon anaesthesia compared with sevoflurane. Br J Anaesth. 105 (3), 334-341 (2010).
  54. Stoppe, C., et al. AepEX monitor for the measurement of hypnotic depth in patients undergoing balanced xenon anaesthesia. Br J Anaesth. 108 (1), 80-88 (2012).
  55. Huang, M. X., et al. Commonalities and Differences among Vectorized Beamformers in Electromagnetic Source Imaging. Brain Topography. 16 (3), 139-158 (2004).
  56. Bastos, A. M., Schoffelen, J. M. A Tutorial Review of Functional Connectivity Analysis Methods and Their Interpretational Pitfalls. Frontiers in systems neuroscience. 9 (January), 175(2015).
  57. Bazanova, O. M., Nikolenko, E. D., Barry, R. J. Reactivity of alpha rhythms to eyes opening (the Berger effect) during menstrual cycle phases. International Journal of Psychophysiology. , September 2015 0-1 (2017).
  58. Schaefer, M. S., et al. Predictors for postoperative nausea and vomiting after xenon-based anaesthesia. Br J Anaesth. 115 (1), 61-67 (2015).
  59. Gan, T. J., et al. Consensus guidelines for the management of postoperative nausea and vomiting. Anesthesia and Analgesia. 118 (1), 85-113 (2014).
  60. De Vasconcellos, K., Sneyd, J. R. Nitrous oxide: Are we still in equipoise? A qualitative review of current controversies. Br J Anaesth. 111 (6), 877-885 (2013).
  61. Sanders, R. D., Ma, D., Maze, M. Xenon: Elemental anaesthesia in clinical practice. British Medical Bulletin. 71, 115-135 (2004).
  62. da Silva, R. M. Syncope: Epidemiology, etiology, and prognosis. Frontiers in Physiology. 5 (DEC), 8-11 (2014).
  63. Dittrich, A., Lamparter, D., Maurer, M. 5D-ASC: Questionnaire for the assessment of altered states of consciousness. A short introduction. , (2010).
  64. Studerus, E., Gamma, A., Vollenweider, F. X. Psychometric evaluation of the altered states of consciousness rating scale (OAV). PLoS ONE. 5 (8), (2010).
  65. Oostenveld, R., Fries, P., Maris, E., Schoffelen, J. M. FieldTrip: Open source software for advanced analysis of MEG, EEG, and invasive electrophysiological data. Computational Intelligence and Neuroscience. 2011, (2011).
  66. Stolk, A., Todorovic, A., Schoffelen, J. M., Oostenveld, R. Online and offline tools for head movement compensation in MEG. NeuroImage. 68, 39-48 (2013).
  67. Cimenser, A., et al. Tracking brain states under general anesthesia by using global coherence analysis. Proc Natl Acad Sci. 108 (21), 8832-8837 (2011).
  68. Hall, S. D., et al. GABA(A) alpha-1 subunit mediated desynchronization of elevated low frequency oscillations alleviates specific dysfunction in stroke - A case report. Clinical Neurophysiology. 121 (4), 549-555 (2010).
  69. Hall, S. D., et al. The role of GABAergic modulation in motor function related neuronal network activity. NeuroImage. 56 (3), 1506-1510 (2011).
  70. Cornwell, B. R., et al. Synaptic potentiation is critical for rapid antidepressant response to ketamine in treatment-resistant major depression. Biological Psychiatry. 72, 555-561 (2012).
  71. Saxena, N., et al. Enhanced Stimulus-Induced Gamma Activity in Humans during Propofol-Induced Sedation. PLoS ONE. 8 (3), 1-7 (2013).
  72. Quaedflieg, C. W. E. M., Munte, S., Kalso, E., Sambeth, A. Effects of remifentanil on processing of auditory stimuli: A combined MEG/EEG study. J Psychopharmacol. 28 (1), 39-48 (2014).
  73. Muthukumaraswamy, S. D., Shaw, A. D., Jackson, L. E., Hall, J., Moran, R., Saxena, N. Evidence that Subanesthetic Doses of Ketamine Cause Sustained Disruptions of NMDA and AMPA-Mediated Frontoparietal Connectivity in Humans. J Neurosci. 35 (33), 11694-11706 (2015).
  74. Bruhn, J., Myles, P. S., Sneyd, R., Struys, M. M. R. F. Depth of anaesthesia monitoring: What's available, what's validated and what's next? Br J Anaesth. 97 (1), 85-94 (2006).
  75. Punjasawadwong, Y., Phongchiewboon, A., Bunchungmongkol, N. Bispectral index for improving anaesthetic delivery and postoperative recovery (Review) Bispectral index for improving anaesthetic delivery and postoperative recovery. Cochrane Library. 10, 10-12 (2010).
  76. Taulu, S., Kajola, M., Simola, J. Suppression of interference and artifacts by the Signal Space Separation Method. Brain Topography. 16 (4), 269-275 (2004).
  77. Purdon, P. L., et al. Electroencephalogram signatures of loss and recovery of consciousness from propofol. Proc Natl Acad Sci U S A. 110 (12), 1142-1151 (2013).
  78. Mhuircheartaigh, R. N., et al. Cortical and Subcortical Connectivity Changes during Decreasing Levels of Consciousness in Humans: A Functional Magnetic Resonance Imaging Study using Propofol. J Neurosci. 30 (27), 9095-9102 (2010).
  79. Pandit, J. J., et al. 5th National Audit Project (NAP5) on accidental awareness during general anaesthesia: summary of main findings and risk factors. Br J Anaesth. 113 (4), 549-559 (2014).
  80. Lakhan, S. E., Caro, M., Hadzimichalis, N. NMDA Receptor Activity in Neuropsychiatric Disorders. Frontiers in Psychiatry. 4 (Junne), 52(2013).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Znieczulenie ksenonemznieczulenie podtlenkiem azoturejestracja MEG EEGsłuchowe potencjały wywołaneminimalizacja ruchów głowykonfiguracja sprzętu do znieczuleniatest ciągłej uwagi (CPT)obrazowanie w przestrzeni źródeł
Rejestrowanie aktywności elektromagnetycznej mózgu podczas podawania gazowych środków znieczulających ksenonu i podtlenku azotu zdrowym ochotnikom
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.