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

Celem tego eksperymentu jest scharakteryzowanie zmian w aktywności elektromagnetycznej mózgu w odpowiedzi na podanie dwóch gazowych czynników dysocjacyjnych, ksenonu i podtlenku azotu, zdrowym uczestnikom w dwukierunkowym projekcie krzyżowania się z powtarzanymi pomiarami. Ze względu na złożoność eksperymentu ważne jest, aby większość sprzętu została ustawiona przed przybyciem uczestnika. Najważniejszym z nich jest konfiguracja systemu EEG w pomieszczeniu ekranowanym magnetycznie lub MSR.

Wzmacniacz EEG jest umieszczony w MSR tak daleko, jak to możliwe, z dala od uczestnika i musi być skonfigurowany do pracy na zasilaniu prądem stałym przy użyciu wbudowanej baterii lub zewnętrznego ekranowanego pojemnika na baterie. Należy sprawdzić, czy sprzęganie światłowodowe między wzmacniaczem a komputerem rejestrującym dane działa. Wreszcie, kamera wideo w MSR powinna być skonfigurowana w taki sposób, aby jej pole widzenia wyraźnie rejestrowało twarz i górną część klatki piersiowej uczestnika, tak aby lekarz anestezjolog mógł wyraźnie monitorować stan układu oddechowego i dróg oddechowych uczestnika.

Aby uzyskać spójne i porównywalne dane, najpierw przeprowadza się wywiad z uczestnikami, aby potwierdzić, że kwalifikują się do udziału w badaniu. Uczestnicy powinni być zdrowymi mężczyznami w wieku od 20 do 40 lat, bez zaburzeń psychicznych lub neurologicznych, bez niedawnej historii używania narkotyków lub alkoholu oraz bez chorób układu oddechowego lub serca. Uczestnicy powinni przybyć na miejsce gładko ogoleni w dniu eksperymentu i po poszczeniu przez co najmniej sześć godzin.

Aby zapewnić wysoką jakość zapisów EEG, zaleca się, aby włosy osoby badanej zostały niedawno umyte bez odżywki, a jej skóra głowy została mocno wyszczotkowana w celu usunięcia wysuszonego lub martwego naskórka. Nakładana jest nasadka EEG o dużej gęstości kompatybilna z MEG przy odpowiednim użyciu żelu przewodzącego. Cewki wskaźnika położenia głowy są następnie mocno przymocowane w określonych miejscach na nasadce EEG.

Wszystkie pomocnicze elektrody biopotencjalne są następnie nakładane w wyznaczonych miejscach na twarzy i ciele badanego. Do późniejszej analizy ważne jest, aby wszystkie elektrody i pozycje cewek HPI były dokładnie zarejestrowane wraz z digitalizacją konturów oczodołów, grzbietu nosowego i policzków w celu późniejszej korejestracji ze strukturalnym rezonansem magnetycznym. Dwie elektrody są umieszczane podmentalnie, aby rejestrować spoczynkowe napięcie mięśniowe.

Zapisy elektrookulogramu lub EOG wykonuje się poprzez umieszczenie dwóch kolejnych elektrod powyżej i poniżej oka. I wreszcie, trójodprowadzeniowa derywacja EKG jest konfigurowana przez elektrody na lewej i prawej powierzchni zginacza nadgarstka. Impedancje elektrod EEG należy następnie zweryfikować jako poniżej pięciu kiloomów, aby uzyskać nagrania o wysokiej wierności.

Czas trwania eksperymentu, a także uspokajające działanie podawanych gazów sprawia, że minimalizacja ruchów głowy jest niezbędna. W celu zmniejszenia bocznych ruchów głowy stosuje się ortezę głowy z pianki z pamięcią kształtu, a wokół ciała zawiązuje się uprząż z juty, aby zminimalizować wszelkie ruchy pionowe. Teraz wykonywane są nagrania zadań w stanie spoczynku z zamkniętymi oczami i wyjściowej wydajności słuchowej ciągłej.

Niezwykle ważne jest, aby podawanie gazów anestezjologicznych było przez cały czas nadzorowane przez lekarza anestezjologa. Oprócz monitorowania pacjenta, rola lekarza anestezjologa obejmuje zapewnienie odpowiedniej konfiguracji jednostki dostarczającej gaz anestezjologiczny, wyspecjalizowanej w tym przypadku do dostarczania i monitorowania ksenonu. Lekarz anestezjolog przetestuje aparat do znieczulenia, sprawdzi, czy maska jest wygodnie dopasowana i nie przecieka, wyreguluje przepływ gazu, wprowadzi kaniulę, poda leki przeciwwymiotne, a także rozpocznie odazotowanie 100% tlenem z uczestnikiem siedzącym w MSR przed ostatecznym pobraniem danych wyjściowych po przeciwwymiotnych i rozpoczęciem protokołu podawania gazu.

Na tym etapie uczestnik będzie wygodnie siedział w MSR po odazotowaniu i podaniu deksametazonu i ondansetronu, aby zminimalizować ryzyko wystąpienia niepożądanych nudności lub wymiotów spowodowanych podawaniem gazów. Przed zamknięciem drzwi MSR obok uczestnika sadzi się pielęgniarkę anestezjologiczną lub inny odpowiednio przeszkolony personel medyczny. Przeprowadzana jest ostateczna kontrola, czy mankiet do pomiaru ciśnienia krwi jest podłączony, pudełka odpowiedzi na przyciski są wygodnie umieszczone, a pulsoksymetr na palcu lub palcu jest bezpiecznie zamocowany.

Następnie protokół przystępuje do dostarczenia czterech Equi-MAC budzących się stopniowo, stopniowo zwiększających się poziomów gazu ksenonowego lub trzech stopniowych poziomów podtlenku azotu w okresie 15 minut każdy, aby zapewnić równowagę krew-mózg-gaz. Każdy poziom powinien zawierać pięciominutowy stan ustalony po osiągnięciu pożądanego stężenia gazu, po którym powinien nastąpić 10-minutowy okres wymłukiwania. Na wszystkich poziomach poziom tlenu, dwutlenku węgla i ksenonu lub podtlenku azotu jest stale monitorowany i rejestrowany elektronicznie.

Na końcu każdego poziomu uczestnicy są krótko oceniani przed przejściem na wyższe poziomy. Ponieważ na najwyższym poziomie ksenonu, przy którym osiąga się utratę reakcji, niedrożność dróg oddechowych może łatwo i nieoczekiwanie wystąpić, a pacjenci muszą być ściśle monitorowani i stale oceniani przez wykwalifikowany personel, zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz MSR, aby wszystkie niezbędne działania zostały natychmiast podjęte. Po zakończeniu eksperymentu lekarz anestezjolog wejdzie do MSR i przeprowadzi rozmowę z pacjentem.

Uczestnik jest następnie wyprowadzany na zewnątrz MSR, gdzie aparat jest usuwany i podawana jest mu standardowa pooperacyjna opieka anestezjologiczna. Zanim uczestnik odejdzie, upewnij się, że jest bezpieczny w podróży do domu z krewnym lub przyjacielem. W ciągu najbliższych 24 godzin uczestnik będzie zobowiązany do wypełnienia ankiet dotyczących zabiegu i ewentualnych skutków ubocznych.

Film ten został przygotowany przede wszystkim w celu zilustrowania metod stosowanych w podawaniu znieczulenia gazowego przy jednoczesnym rejestrowaniu danych EEG i MEG, dlatego prezentowana jest tylko bardzo podstawowa analiza danych i reprezentatywne wyniki, aby dać widzowi jasne wyobrażenie o tym, jak powinny wyglądać zarejestrowane dane. Podstawowe wyniki ilustrują przykłady ruchów głowy, przebiegu czasowego stężenia gazów i dokładności zadań słuchowych; filtrowane dane EEG i MEG bez artefaktów; Widma EEG i MEG oraz topografia mocy; i wywołane przez słuch reakcje zarówno dla wartości wyjściowej, jak i podczas podawania gazu. Aby stworzyć podstawowe wyniki, stosuje się następujący potok przy użyciu kombinacji platform oprogramowania do analizy danych i zestawów narzędzi.

Surowe dane MEG i EEG są przechowywane odpowiednio w formatach plików fif i cnt. Ruchy głowy są obliczane za pomocą oprogramowania MaxFilter i skryptu napisanego przez autorów, które służą do konwersji ruchów głowy z przestrzeni kortońskiej na współrzędne kartezjańskie. Dokładność zadania słuchowego i czas reakcji są następnie obliczane i wizualizowane, dopasowywane w czasie do szeregów czasowych ruchu głowy i stężenia gazu, w celu oceny jakości danych przed dalszym przetwarzaniem danych EEG i MEG.

Wyrównanie danych w czasie opiera się na zarejestrowanych czasach wyzwalania. Zazwyczaj ruch głowy będzie minimalny w warunkach wyjściowych, podczas gdy większy ruch ma tendencję do występowania przy wyższych poziomach gazów związanych z bardziej zdysocjowanymi lub uspokojonymi stanami. Widać to na przykład w nagraniu 42%xenon, gdzie górny rysunek pokazuje ruch głowy, a dolny stężenie gazu i dokładność zadania słuchowego.

Należy pamiętać, że utrata responsywności występuje między 7,5 a 12,5 minuty. Bezwzględny ruch głowy mniejszy niż pięć milimetrów jest uważany za dopuszczalny do celów obrazowania źródłowego. Segmenty danych, których ruch jest większy niż pięć milimetrów, są ignorowane.

Wstępne przetwarzanie danych MEG i EEG początkowo wiąże się z wyborem złych kanałów. Następnie stosuje się algorytm tSSS do usuwania artefaktów z nagrania MEG spowodowanych źródłami zewnętrznymi. Pozostała część procesu przetwarzania obejmuje wykorzystanie platform oprogramowania do analizy danych i powiązanych zestawów narzędzi do analizy.

Filtrowanie pasmowo-przepustowe i wycinające jest stosowane zarówno do danych MEG, jak i EEG, aby skupić analizę na interesującym paśmie częstotliwości. Okresy w danych zawierających artefakty są odrzucane na podstawie oględzin, a także usuwane są okresy związane z nadmiernymi zmianami ruchów głowy. Przefiltrowane, wolne od artefaktów dane MEG i EEG mogą być następnie wizualizowane i powiązane ze zmianami wywołanymi przez znieczulenie.

Widma amplitudy dla każdego czujnika i topografie mocy pasma spektralnego we wszystkich czujnikach są następnie obliczane zarówno dla danych MEG, jak i EEG. Wizualizacja widm amplitudy w różnych lokalizacjach czujników ułatwia obserwację wpływu różnych poziomów znieczulenia na widma sygnału. Wizualizacja topografii mocy czujników w różnych pasmach częstotliwości, w tym przypadku w paśmie alfa, umożliwia obserwację wpływu różnych poziomów znieczulenia na przestrzenny wzorzec aktywności.

Przefiltrowane, wolne od artefaktów dane MEG i EEG są następnie epokowane za pomocą wyzwalaczy związanych z czasem dostarczania tonu słuchowego. Średnie słuchowe reakcje wywołane są następnie konstruowane w czasie podczas uśredniania próby. Wizualizacja słuchowych reakcji wywołanych na poziomie sensora pozwala na scharakteryzowanie wpływu środków znieczulających na reakcję mózgu.

W szczególności przebudzenie początkowej wywołanej odpowiedzi i zanik późniejszych wywołanych pików odpowiedzi wynika z wysokich stężeń gazów. Istnieje wiele innych potencjalnie interesujących etapów analizy, które można wykonać po tej podstawowej analizie. Biorąc pod uwagę, że w literaturze przedstawiono wiele opcji, nie omawiamy ich tutaj szczegółowo.

Takie opcje obejmują obrazowanie źródła MEG i EEG przy użyciu kształtowania wiązki lub oszacowania minimalnej normy, aby lepiej zrozumieć związek między aktywnością mózgu a anatomią mózgu. Analiza połączeń funkcjonalnych na poziomie czujnika lub źródła może ujawnić zmiany w sieciach mózgowych związane z działaniem anestezjologicznym. Istnieje również możliwość skoncentrowania analizy na czujniku lub reakcjach słuchowych wywołanych na poziomie źródła lub przyjrzenia się ciągłym danym niezależnym od bodźca słuchowego w celu zidentyfikowania wszelkich zmian wywołanych znieczuleniem w globalnej dynamice mózgu.

Makroskalowe mechanizmy redukcji świadomości wywołanej znieczuleniem nie są dobrze poznane. Dowody z literatury silnie wskazują na załamanie się funkcjonalnej łączności leżącej u podstaw znieczulenia wywołanego znieczuleniem. Chociaż środki znieczulające mają zróżnicowany zakres molekularnych celów działania i różne makroskopowe efekty na EEG i MEG, nadal nie jest to rozwiązane, czy istnieje uniwersalny lub wspólny mechanizm makroskali dla wszystkich środków znieczulających.

W tym miejscu przedstawiliśmy protokół wykonywania znieczulenia gazowego przy użyciu przypuszczalnych antagonistów receptora NMDA, ksenonu i podtlenku azotu, przy jednoczesnym rejestrowaniu danych MEG i EEG. Metoda ta ułatwi badanie różnych czynników gazowych i lotnych na jednocześnie rejestrowanych danych MEG i EEG, a tym samym poszukiwanie uniwersalnych mechanizmów indukowanego znieczuleniem obniżenia świadomości.