Gravação a atividade eletromagnética cerebral durante a administração de agentes anestésicos gasosos Xenon e óxido nitroso em voluntários saudáveis

O objetivo deste experimento é caracterizar as mudanças na atividade eletromagnética do cérebro em resposta à administração dos dois agentes dissociativos gasosos xenônio e óxido nitroso a participantes saudáveis em um projeto cruzado de medidas repetidas bidirecionais. Devido à complexidade do experimento, é importante que a maior parte da configuração do equipamento ocorra antes da chegada do participante. O mais importante deles é a configuração do sistema de EEG na sala blindada magneticamente ou MSR.

O amplificador de EEG é colocado no MSR o mais longe possível do participante e precisa ser configurado para funcionar com energia CC usando uma bateria embutida ou uma caixa de bateria blindada externa. O acoplamento de fibra óptica do amplificador ao computador de registro de dados deve ser verificado para estar operacional. Finalmente, uma câmera de vídeo no MSR deve ser configurada de forma que seu campo de visão capture claramente o rosto e a parte superior do tórax do participante, de modo que o médico anestesiologista possa monitorar claramente o estado respiratório e das vias aéreas do participante.

Para que dados consistentes e comparáveis sejam adquiridos, os participantes são primeiro entrevistados para confirmar sua elegibilidade para o estudo. Os participantes devem ser homens saudáveis de 20 a 40 anos de idade, sem condições psiquiátricas ou neurológicas, sem histórico recente de uso de drogas ou álcool e sem problemas respiratórios ou cardíacos. Os participantes devem chegar barbeados no dia do experimento e em jejum de pelo menos seis horas.

Para garantir gravações de EEG de alta qualidade, recomenda-se que o cabelo do sujeito tenha sido lavado recentemente sem condicionador e que o couro cabeludo tenha sido escovado com firmeza para remover qualquer pele seca ou morta. Uma touca de EEG de alta densidade compatível com MEG é aplicada com o uso apropriado de gel condutor. As bobinas indicadoras de posição da cabeça são então firmemente fixadas em locais predefinidos na tampa do EEG.

Todos os eletrodos biopotenciais auxiliares são então aplicados nos locais designados no rosto e no corpo do sujeito. Para análise subsequente, é importante que todos os eletrodos e posições da bobina HPI sejam registrados com precisão, juntamente com a digitalização dos contornos das órbitas, crista nasal e bochechas para posterior co-registro com ressonância magnética estrutural. Dois eletrodos são colocados submentalmente para registrar o tônus muscular em repouso.

As gravações de eletrooculograma ou EOG são feitas colocando mais dois eletrodos acima e abaixo do olho. E, finalmente, uma derivação de ECG de três derivações é configurada por eletrodos nas superfícies flexoras do punho esquerdo e direito. As impedâncias dos eletrodos de EEG devem então ser verificadas como inferiores a cinco quiloohms para produzir gravações de alta fidelidade.

A duração do experimento, bem como os efeitos sedativos dos gases administrados, tornam vital a minimização do movimento da cabeça. Uma cinta de espuma viscoelástica é aplicada para reduzir o movimento lateral da cabeça e um arnês de juta é amarrado ao redor do corpo para minimizar qualquer movimento vertical. O estado de repouso de olhos fechados e as gravações de tarefas de desempenho contínuo auditivo basal agora são realizadas.

É de vital importância que a administração de gases anestésicos seja supervisionada por um médico anestesiologista em todos os momentos. Além do acompanhamento do paciente, o papel do médico anestesiologista inclui garantir a configuração adequada da unidade de administração de gás anestésico, especializada neste caso para fornecer e monitorar o xenônio. O médico anestesiologista testará o aparelho de anestesia, verificará se a máscara se encaixa confortavelmente e não vaza, ajustará os fluxos de gás, inserirá uma cânula, administrará antieméticos, bem como iniciará a desnitrogenação com oxigênio a 100% com o participante sentado no MSR antes da coleta final de dados basais pós-antieméticos e o início do protocolo de administração de gás.

Nesta fase, o participante estará confortavelmente sentado no MSR, tendo sido desnitrogenado e administrado dexametasona e ondansetrona para minimizar o risco de qualquer náusea ou vômito adverso devido à administração de gás. Antes que a porta do MSR seja fechada, a enfermeira anestésica ou outro profissional médico devidamente treinado está sentado ao lado do participante. É feita uma verificação final de que o manguito de pressão arterial está conectado, as caixas de resposta do botão estão confortavelmente posicionadas e o oxímetro de pulso no dedo do pé ou dedo está bem preso.

O protocolo então passa a fornecer quatro Equi-MAC acordados aumentando progressivamente os níveis de gás xenônio, ou três níveis de óxido nitroso graduais durante um período de 15 minutos cada, a fim de garantir o equilíbrio sangue-cérebro-gás. Cada nível deve conter um estado estacionário de cinco minutos quando a concentração de gás desejada é atingida e deve ser seguido por um período de lavagem de 10 minutos. Durante todos os níveis, os níveis de oxigênio, dióxido de carbono e xenônio ou óxido nitroso são continuamente monitorados e registrados eletronicamente.

No final de cada nível, os participantes são avaliados brevemente antes de progredir para níveis mais altos. Porque no nível mais alto de xenônio, no qual a perda de capacidade de resposta é alcançada, a obstrução das vias aéreas pode ocorrer de forma rápida e inesperada, e os indivíduos precisam ser monitorados de perto e avaliados continuamente por pessoal qualificado, dentro e fora do MSR, para que todas as ações necessárias sejam tomadas imediatamente. Na conclusão do experimento, o médico anestesiologista entrará no MSR e fará um interrogatório com o paciente.

O participante é então levado para fora do MSR, onde o aparelho é removido e recebe cuidados anestésicos pós-operatórios padrão. Antes de o participante sair, certifique-se de que ele esteja seguro para viajar para casa com um parente ou amigo. Nas próximas 24 horas, o participante deverá preencher os questionários referentes ao procedimento e eventuais sequelas.

Este vídeo foi preparado principalmente para ilustrar os métodos envolvidos na administração de anestesia gasosa durante a gravação simultânea de dados de EEG e MEG, portanto, apenas análises de dados muito básicas e resultados representativos são apresentados para dar ao espectador uma ideia clara de como devem ser os dados gravados. Os resultados básicos ilustram exemplos de movimento da cabeça, curso de tempo de concentração de gás e precisão da tarefa auditiva; dados filtrados de EEG e MEG livres de artefatos; Espectros de EEG e MEG e topografia de potência; e respostas evocadas auditivas tanto para a linha de base quanto durante a administração de gás. Para criar os resultados básicos, o pipeline a seguir é empregado usando uma combinação de plataformas de software de análise de dados e caixas de ferramentas.

Os dados brutos de MEG e EEG são armazenados como formatos de arquivo fif e cnt, respectivamente. Os movimentos da cabeça são calculados usando o software MaxFilter e um script escrito pelos autores, ambos usados para converter os movimentos da cabeça do espaço cortoniano em coordenadas cartesianas. A precisão da tarefa auditiva e o tempo de reação são então calculados e visualizados, alinhados com o tempo com as séries temporais de movimento da cabeça e concentração de gás, a fim de avaliar a qualidade dos dados antes de processar os dados de EEG e MEG.

O alinhamento de tempo dos dados é baseado nos tempos de disparo registrados. Normalmente, o movimento da cabeça será mínimo durante as condições basais, enquanto mais movimento tende a ocorrer nos níveis mais altos de gás associados a estados mais dissociados ou sedados. Isso pode ser visto aqui, por exemplo, no registro de 42% de xenônio, onde a figura superior mostra o movimento da cabeça e a inferior, a concentração de gás e a precisão da tarefa auditiva.

Observe que a perda de capacidade de resposta ocorre entre 7,5 e 12,5 minutos. O movimento absoluto da cabeça inferior a cinco milímetros é considerado aceitável para fins de imagem da fonte. Os segmentos de dados com movimento maior que cinco milímetros são ignorados.

O pré-processamento dos dados de MEG e EEG envolve inicialmente a seleção de canais defeituosos. Isso é seguido pelo uso do algoritmo tSSS para remover artefatos da gravação MEG devido a fontes externas. O restante do pipeline de processamento envolve o uso de plataformas de software de análise de dados e caixas de ferramentas associadas para análise.

A filtragem passa-banda e de entalhe é aplicada aos dados MEG e EEG para focar a análise na banda de frequência de interesse. Os períodos de tempo nos dados que contêm artefatos são rejeitados com base na inspeção visual, além de remover períodos que envolvem mudanças excessivas de movimento da cabeça. Os dados de MEG e EEG livres de artefatos filtrados podem então ser visualizados e relacionados às alterações induzidas pelo anestésico.

Os espectros de amplitude para cada sensor e as topografias de potência da banda espectral em todos os sensores são então calculados para dados MEG e EEG. A visualização dos espectros de amplitude em diferentes locais do sensor facilita a observação dos efeitos de diferentes níveis de anestésico nos espectros de sinal. A visualização da topografia de potência do nível do sensor em diferentes bandas de frequência, neste caso a banda alfa, permite a observação dos efeitos de diferentes níveis de anestésico no padrão espacial de atividade.

Os dados de MEG e EEG livres de artefatos filtrados são então epoched usando gatilhos ligados ao tempo de entrega do tom auditivo. As respostas evocadas auditivas médias são então construídas ao longo do tempo na média da amostra. A visualização das respostas evocadas auditivas no nível do sensor permite a caracterização dos efeitos dos anestésicos na capacidade de resposta do cérebro.

Em particular, o despertar da resposta evocada inicial e o desaparecimento dos picos de resposta evocados posteriores resultam de altas concentrações de gás. Existem muitas outras etapas de análise interessantes em potencial que podem ser executadas após esta análise básica. Dado que existem muitas opções apresentadas na literatura, não as abordamos em detalhes aqui.

Essas opções incluem imagens de fonte de MEG e EEG usando formação de feixe ou estimativa de norma mínima para obter uma melhor compreensão da relação entre a atividade cerebral e a anatomia cerebral. A análise de conectividade funcional em nível de sensor ou fonte pode desvendar mudanças nas redes cerebrais ligadas à ação anestésica. Há também a opção de focar a análise no sensor ou nas respostas evocadas auditivas no nível da fonte, ou observar dados contínuos independentes do estímulo auditivo, a fim de identificar quaisquer alterações induzidas por anestésicos na dinâmica cerebral global.

Os mecanismos de macroescala das reduções da consciência induzidas por anestésicos não são bem compreendidos. Evidências da literatura implicaram fortemente uma quebra na conectividade funcional subjacente às reduções da consciência induzidas por anestésicos. Embora os anestésicos tenham uma gama diversificada de alvos moleculares de ação e diferentes efeitos macroscópicos no EEG e MEG, ainda não está resolvido se existe um mecanismo de macroescala universal ou comum em todos os anestésicos.

Aqui, delineamos um protocolo para realizar anestesia gasosa usando os supostos antagonistas do receptor NMDA xenônio e óxido nitroso, enquanto registramos simultaneamente os dados de MEG e EEG. Este método facilitará o estudo de diferentes agentes gasosos e voláteis em dados de MEG e EEG registrados simultaneamente e, assim, a busca de mecanismos universais de reduções de consciência induzidas por anestésicos.