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Neuroscience

Aufnahme elektromagnetische Aktivität des Gehirns während der Verabreichung von Lachgas bei gesunden Probanden und gasförmiger Anästhetika Xenon

Published: January 13, 2018 doi: 10.3791/56881
Automatic Translation
1, 1, 2, 3, 4, 1
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

Summary

Gleichzeitige Magnetoenzephalographie und Elektroenzephalographie bietet ein nützliches Werkzeug, um gemeinsame und eindeutige Makroebene Mechanismen der Kürzungen im Bewusstsein induziert durch verschiedene Anästhetika gesucht. Dieses Papier zeigt die empirische Methoden zugrunde liegen die Aufzeichnung dieser Daten aus gesunden Menschen während der N-Methyl-D-Aspartate-(NMDA)-receptor-antagonist-based Anästhesie während der Inhalation von Lachgas und Xenon.

Abstract

Anästhesie bietet wohl eine der nur systematischen Möglichkeiten, um die neuronalen Korrelate des globalen Bewusstsein/Bewusstlosigkeit zu studieren. Aber bis heute die meisten Neuroimaging oder neurophysiologische Untersuchungen beim Menschen zum Studium der γ-Amino-Butyric-Acid-(GABA)-receptor-agonist-based Anästhetika, während die Effekte der dissoziativen N-Methyl-D-Aspartate-(NMDA) - beschränkt Rezeptor-Antagonist-basierte Narkosemittel Ketamin, Lachgas (N2O) und Xenon (Xe) sind weitgehend unbekannt. Dieses Papier beschreibt die Methoden, die die gleichzeitige Aufzeichnung von Magnetoenzephalographie (MEG) und Elektroenzephalographie (EEG) von gesunden Männern beim Einatmen gasförmiger Anästhetika N2O und Xe zugrunde liegen. Kombination von MEG und EEG-Daten ermöglicht die Bewertung der elektromagnetischen Hirnaktivität während der Narkose bei hoher zeitlicher und moderate, Ortsauflösung. Hier beschreiben wir ein detailliertes Protokoll, über mehrere Aufnahme-Sessions, verfeinert, das Thema Rekrutierung, Anästhesie-Geräte-Setup im MEG Scanner Zimmer, Datenerfassung und Analyse der grundlegenden Daten enthält. In diesem Protokoll ist jeder Teilnehmer unterschiedlicher Xe und N2O in einem Messwiederholungen Cross-over-Design ausgesetzt. Nach relevanten Baseline Aufnahmen Teilnehmer ausgesetzt sind, schrittweise Erhöhung inspiriert Konzentrationen von Xe und N2O 8, 16, 24 und 42 % und 16, 32 und 47 % bzw. bei denen ihr Maß an Reaktionsfähigkeit verfolgt wird mit einer auditiven kontinuierliche Leistung Aufgabe (aCPT). Die Ergebnisse werden für eine Reihe von Aufnahmen auf der Sensorebene Eigenschaften die Rohdaten, die spektrale Topographie, die Minimierung von Kopfbewegungen und die eindeutigen Level abhängigen Auswirkungen auf die auditiven evozierten Antworten zu markieren. Dieses Paradigma beschreibt einen allgemeinen Ansatz zur Aufzeichnung der elektromagnetische Signale, verbunden mit der Aktion verschiedener gasförmiger Anästhetika, die leicht angepasst werden können, mit flüchtigen und intravenöse Anästhetika verwendet werden. Es wird erwartet, dass die beschriebene Methode zum Verständnis der Makroebene Mechanismen der Anästhesie beitragen kann, durch die Aktivierung der methodischer Erweiterungen mit Quelle Raum Bildgebung und funktionelle Netzwerkanalyse.

Introduction

Es gibt guten Konsens zwischen vorklinische und klinische neurowissenschaftliche Anhaltspunkte dafür, dass das Phänomen des menschlichen Bewusstseins hängt von der Integrität der expliziten neuronale Schaltkreise. Die Beobachtung, dass solche Schaltungen systematisch durch den Abstieg in die Bewusstlosigkeit beeinflusst werden begründet die Notwendigkeit für bildgebende Verfahren genutzt werden, während der Narkose und aktivieren "Navigation" die Suche nach den neuronalen Korrelate des Bewusstsein. Mit der möglichen Ausnahme des Schlafes Anästhesie stellt die einzige Methode, mit der kann man in einer kontrollierten, reversibel und reproduzierbare Weise, belästigen und somit zu sezieren, die Mechanismen, die Sub-Bewusstsein, vor allem im makroskopischen Maßstab dienen globales Gehirn Dynamik. Klinisch, allgemeine Anästhesie kann definiert werden als ein Zustand der Hypnose/Bewusstlosigkeit, Unbeweglichkeit und Analgesie und bleibt eine der am meisten reichlich verwendet und sichersten Eingriffe. Trotz der Klarheit und Effizienz in das Endergebnis bleibt große Unsicherheit über die Wirkmechanismen der verschiedenen Typen von Agenten zu Narkose induzierte Bewusstlosigkeit1.

Anästhetika können intravenöse Agenten unterteilt werden insbesondere Propofol und Barbiturate oder flüchtige/gasförmigen Mitteln wie Sevofluran, Isofluran, Lachgas (N2O) und Xenon (Xe). Die Pharmakologie der Narkose wurde mit mehrere zellulare Ziele identifiziert als Narkose Aktion mit gut etabliert. Die meisten Mittel studierte bis Datum Akt hauptsächlich über die Agonismus der γ-Amino-Butyric-Acid-(GABA)-Rezeptor vermittelt-Aktivität. Im Gegensatz dazu die dissoziative Agenten Ketamin, werden Xe und N2O geglaubt, um ihre Wirkung ausüben, indem Sie in erster Linie auf N-Methyl-D-Aspartate-(NMDA) glutamatergen Rezeptoren2,3. Andere wichtige pharmakologische Ziele umfassen Kaliumkanäle, Acetylcholin-Rezeptoren und der Rest Glutamat-Rezeptoren, AMPA und Kainate, aber der Umfang ihres Beitrags zur Narkose Aktion schwer (für eine umfassende Überprüfung siehe bleibt ( 4).

Das Ausmaß der Variabilität in der Wirkmechanismus und die beobachteten physiologischen und neuronalen Effekte der verschiedenen Arten von Agenten rendert die Ableitung der allgemeinen Schlussfolgerungen über ihren Einfluss auf die bewusste Verarbeitung schwierig. Verlust des Bewußtseins (LOC) induziert durch GABAerge Agenten zeichnet sich in der Regel durch eine globale Änderung in der Aktivität des Gehirns. Dies ist offensichtlich bei der Entstehung von hoher Amplitude, Niederfrequenz-Delta (δ, 0,5-4 Hz) Wellen und der Rückgang der Hochfrequenz, Gamma (γ, 35-45Hz) Aktivität im Elektroenzephalogramm (EEG), ähnlich wie bei langsamen Welle schlafen5,6 sowie die weit verbreitete Reduzierung cerebral Blood Flow und Glukose Stoffwechsel5,6,7,8,9,10,11,12 . Boveroux Et Al. 13 hinzugefügt, um solche Beobachtungen zeigen eine signifikante Abnahme im ruhenden Zustand funktionelle Verknüpfung unter Propofol Anästhesie mit der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT). Dissoziativen Anästhetika ergeben dagegen eine weniger klare Profil der Auswirkungen auf die Aktivität des Gehirns. In einigen Fällen sind sie verbunden mit einem Anstieg der zerebralen Blut fließen und Glukose Stoffwechsel14,15,16,17,18,19, 20,21 während der Studien von Rex und Kollegen22 und Laitio und Kollegen23,24 Blick auf die Auswirkungen der Xe zur Verfügung gestellt, Belege für beide erhöht und verringert Gehirn Aktivität. Eine ähnliche Unregelmäßigkeit entnehmen bitte die Auswirkungen der EEG-Signale25,26,27,28. Johnson Et al.. 29 zeigten einen Anstieg der Gesamtleistung der Niederfrequenz Bands Delta und Theta ebenso wie in der höheren Frequenz Band Gamma in einer hohen Dichte EEG-Studie des Xe Anästhesie während gegnerische Beobachtungen, für N2O im Delta gemacht wurden, Theta und Alpha Frequenz Bänder30,31 und für Xe in die höheren Frequenzen32. Diese Variabilität in die Auswirkungen der Xe auf der Kopfhaut elektrische Aktivität beobachtet werden, in der Alpha und Beta-Frequenzbereiche mit beiden erhöht auch33 und Reduzierungen34 gemeldet wird.

Trotz der oben genannten Abweichungen beginnt das Bild werden konsistentere über Agenten, wenn man versucht, die funktionelle Verknüpfung zwischen den Hirnarealen Veränderungen betrachten. Solche Maßnahmen wurden jedoch überwiegend auf Modalitäten beschränkt, die zwangsläufig Zugeständnisse in Bezug auf räumliche oder zeitliche Auflösung zu machen. Während Studien mit dem EEG erscheinen klar und in gewissem Maße konsistent, Veränderungen in der topologischen Struktur funktionale Netzwerke während der Narkose/Sedierung mit Propofol35, Sevofluran36 und N2O37, zeigen die weit auseinander liegende Ebene EEG Sensordaten hat unzureichende räumlichen Auflösung sinnvoll definieren und die Scheitelpunkte des entsprechenden funktionellen Netzwerken abzugrenzen. Im Gegensatz dazu finden Studien nutzen die hervorragende räumliche Auflösung der fMRI und Positronen-Emissions-Tomographie (PET), ähnliche topologische Änderungen in groß angelegte funktionelle Verknüpfung der EEG13,38,39 ,40,41, besitzen jedoch nicht genügend zeitlichen Auflösung zu charakterisieren Phase-Amplitude Kupplung in der alpha (8-13 Hz) EEG-Band und anderen dynamischen Phänomene, die als wichtige Unterschriften von entstehen Narkose Aktion12,42. Darüber hinaus bewerten diese Maßnahmen nicht direkt elektromagnetische neuronale Aktivität43.

Daher, um das Verständnis für die makroskopische Prozesse rund um die Wirkung der Anästhesie sinnvoll zu fördern, die Grenzen der zuvor erwähnten Untersuchungen angegangen werden müssen; die eingeschränkte Abdeckung von Anästhetika und die ungenügende räumlich-zeitliche Auflösung der nicht-invasiven Messungen. Darauf aufbauend erläutern die Autoren eine Methode, um gleichzeitig aufzeichnen Magnetoencephalogram (MEG) und EEG-Aktivität bei gesunden Probanden, die entwickelt wurde für die Verwaltung von gasförmigen dissoziativen Anästhetika, Xe und N2O.

Die MEG wird genutzt, da es nur nicht-invasiven neurophysiologischen Technik als das EEG ist, dass eine zeitliche Auflösung im Millisekundenbereich. EEG hat das Problem der Unschärfe der elektrischen Felder durch den Schädel, die wirkt wie ein Tiefpass-Filter auf cortically generierten Aktivität während MEG viel weniger anfällig für dieses Problem und die Frage der Band Wärmeleitung44 ist. Es kann argumentiert werden, dass MEG höher hat räumliche und Quell-Lokalisierung Genauigkeit als EEG 45,46. EEG erlaubt keine echte Referenz-freie Aufnahme37,47, aber MEG ist. MEG Systeme zeichnen in der Regel auch kortikale Aktivität in einem breiteren Frequenzbereich als EEG, einschließlich hohe Gamma48(in der Regel 70-90 Hz), die sind vorgeschlagen worden, in den hypnotischen Effekten von Anästhetika einschließlich Xe29 und N einbezogen werden 2 O28. Die MEG bietet neurophysiologische Aktivität, die Komplimente, vermittelt durch EEG, als EEG-Aktivität auf extrazellulären elektrischen Strömen bezieht, während MEG vor allem die Magnetfelder von intrazellulären Strömungen46, spiegelt 49. Darüber hinaus MEG reagiert besonders empfindlich auf elektrophysiologische Aktivität tangential zu den Kortex, während EEG meist radial zum Kortex49extrazelluläre Aktivität erfasst. MEG und EEG Daten so zu kombinieren, hat super-Additiv Vorteile50.

Die gasförmigen dissoziative Mitteln Xe und N2O wurden folgenden Grundsatz Gründen ausgewählt: sie sind geruchlos (Xe) oder im wesentlichen geruchlos (N2O) und kann somit leicht genutzt werden, im Beisein von Kontrolle Bedingungen beschäftigt subklinische Konzentrationen. Darüber hinaus eignen sie sich gut für remote-Administration und Überwachung in einer Laborumgebung aufgrund ihrer schwachen kardiorespiratorischer dämpfenden Effekte61. Xenon und zu einem geringeren Ausmaß N2O, behalten eine relativ niedrige Minimum-Alveolar - Konzentration-(MAC)-wach, bei denen 50 % der Patienten zu einer mündlichen Befehl mit Werten von 32,6 ± 6,1 %51 und 63,3 + - 7,1 %52 bzw. reagiert. Trotz Xe und N2O sowohl als NMDA-Rezeptor-Antagonisten, sie modulieren das EEG anders - Xe erscheint eher wie eine typische GABAergen Agent wenn überwacht mit Hilfe der Bispectral Index33,53,54 Verhalten (einer der mehrere Ansätze zur Tiefe der Narkose elektroenzephalographisch Überwachung). Im Gegensatz dazu wirkt N2O eine viel weniger offensichtlich EEG ist es schlecht, wenn überhaupt, mit Bispectral Index26überwacht. Da Xe verschiedene gemeldeten EEG Eigenschaften wie die anderen dissoziativen Agenten hat, sondern ähnliche Eigenschaften wie die häufiger studierten GABAergen-Agenten besitzt, hat die elektrophysiologische Untersuchung das Potenzial, wichtige offenbaren Funktionen in Bezug auf die neuronalen Korrelate des Bewusstseins und die entsprechenden funktionalen Netzwerkänderungen. Agents, die auf den NMDA-Rezeptor handeln werden voraussichtlich mehr verraten über die Gehirnnetzwerke, die normal und veränderten Bewusstseins, dienstbar angesichts der kritischen Rolle, die NMDA-Rezeptor vermittelt Aktivität spielt in lernen und Gedächtnis und ihre betroffenen Rolle in einer Reihe von psychiatrische Erkrankungen, die Schizophrenie und Depression80enthalten.

Dieses Dokument konzentriert sich hauptsächlich auf die anspruchsvolle und komplexe Datenübernahmeverfahren Zusammenhang mit der Lieferung von gasförmiger Anästhetika in einem Krankenhaus während der Aufnahme gleichzeitig MEG und EEG. Grundlegende Datenanalyse an der Sensor-Ebene skizziert und Beispieldaten dienen zur Veranschaulichung, dass HiFi-Aufnahmen mit minimalen Kopfbewegung erzielt werden können. Viele potenzielle Methoden zur anschließenden Bildbearbeitung und/oder funktionelle Konnektivität Quellenanalyse, die in der Regel ausgeführt werden würde, mit dieser Art von Daten werden nicht beschrieben, wie diese Methoden auch in der Literatur beschrieben sind und verschiedene Möglichkeiten zeigen, Analyse55,56.

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Protocol

Die Studie mit dem Titel "Auswirkungen von Einatmen Xe und N2O auf die Gehirnaktivität aufgezeichnet mit EEG und MEG" wurde zugelassen (Zulassungsnummer: 260/12) von Alfred Hospital und Ethikkommission der Swinburne University of Technology und erfüllt die Anforderungen der nationalen Erklärung zur Ethik in der Forschung am Menschen (2007).

1. die Teilnehmerauswahl und Vorstudie Anforderungen

  1. Führen Sie ein Interview wählen Sie gesunde, Rechtshänder, Erwachsene Männer im Alter von 20 und 40 Jahre alt.
    1. Bestätigen Sie einen gute allgemeine Gesundheitszustand durch den Erhalt des Teilnehmers Body Mass Index (BMI) und das Fehlen von Kontraindikationen zur MRT oder MEG (z. B. implantierten metallischen Fremdkörpern), sowie eine ausführliche Anamnese, einschließlich alle vorherigen Operationen zu sammeln, wichtig ist jede ungünstigeren Reaktionen auf Vollnarkose die Ausgrenzung aus der Studie zur Folge hätte.
    2. Gezielt ausschließen jede aktuelle Einnahme von psychoaktiven oder anderen verordneten Medikamente sowie das Fehlen von Freizeitdroge nutzen und das Fehlen von neurologische Erkrankung, Epilepsie, Herzerkrankungen, Schlaf-Apnoe sicherzustellen, Bewegung Krankheit und Klaustrophobie. Wie es später wichtig sein wird, zu erhalten auszuschließen eine gute Abdichtung mit einer Narkose Gesichtsmaske Teilnehmer haben große Bärte, wenn sie bereit sind zu rasieren.
      Anmerkung: Ohne Frauen aufgrund der dokumentierten Wirkungen derMenstruation/57 oder Alter extreme auf das ruhende MEG/EEG-Signal als auch die erhöhte Neigung zu Übelkeit und Erbrechen58.
  2. Verfahren der Tag Aufenthalt Vollnarkose als in Australien und Neuseeland College von Anästhesisten (ANZCA) Richtlinien (Dokument PS15) bezeichnet.
    1. Gemäß diesen Leitlinien stellen Sie die Themen zu Fasten für mindestens 6 Stunden und verbrauchen keine Flüssigkeiten für mindestens 2 Stunden vor Beginn des Experiments. Compliance mit den Anästhesisten Kontaktierung des Teilnehmers am Tag vor der Prüfung findet Platz zu bestätigen.
    2. Haben Sie nach Abschluss des Experiments Themen standard Post Anästhesie Pflege Überwachung durch die Anweisung nicht, schweren Maschinen bedienen oder wichtige Entscheidungen zu treffen, innerhalb von 24 Stunden des Experiments (wegen der Möglichkeit der niedrigen Restniveau zu unterziehen kognitive Beeinträchtigung von Xe und N2O).

(2) Einrichtungen und Ausrüstungen

Hinweis: Die Anlagen sind gemäß ANZCA Anforderungen für die Lieferung der Anästhesie außerhalb eines normalen chirurgische OP-Abteilung (http://www.anzca.edu.au/resources/professional-documents. Dokument-PS55). Das Zimmer erfüllt insbesondere technische Vorschriften für elektrische Sicherheit und Gas medizinische Verwaltung.

  1. Führen Sie das Experiment, das Swinburne Advanced Technology Centre des Brain Imaging Laboratory, nämlich der MEG-Raum enthält einen magnetisch abgeschirmten Raum (MSR), der Häuser den MEG-Scanner. Die abgeschirmten Raum sitzt auf einem schwimmenden Estrich isoliert von ökologischen Bewegungen wie die vorbeifahrenden Züge.
  2. Anästhesie-Gase mit einem Anästhesiegerät, außerhalb der MSR, in der Lage, Lieferung und Überwachung gasförmiger Xenon zu liefern. Diese Anästhesiegerät ist speziell, geschlossene low-Flow Xe Gas zu verwalten und zu Ende-Gezeiten Xe-Konzentrationen mit Katharometry (thermische Leitfähigkeit, ± 1 % Genauigkeit), zusätzlich zu den Standard-of-Care-Patienten-monitoring messen. Dazu gehören Ende-Gezeiten O2, CO2, N2O Messung (gegebenenfalls), Puls, Pulsoxymetrie, 3-EKG und nicht-invasive Blutdruckmessung (NIBP) gemäß ANZCA Leitlinie Dokument PS18. Messen Sie die Ende-Gezeiten N2O Konzentrationen mit Infrarot-Spektroskopie in der Anästhesiegerät umgesetzt.
    1. Rohr der Gase an Teilnehmer mit erweiterten 22 mm Durchmesser durch MSR Leitungen Schläuche atmen.
  3. Bieten Sie Standard-of-Care Patientenüberwachung gemäss ANZCA Leitlinie Dokument PS18. Dazu gehören Ende-Gezeiten O2, CO2, N2O Messung (gegebenenfalls), Puls, Pulsoxymetrie, 3-EKG und nicht-invasive Blutdruckmessung (NIBP).
    1. Monitor Blutdruck nach ANZCA Leitlinie Dokument PS18 mit einem nicht-invasiven Blutdruck-Monitor befindet sich außerhalb der MSR und verbunden durch einen langen Inflation eine Manschette am Oberarm gelegt.
    2. Während das Experiment erfassen und dokumentieren alle physiologischen Parameter in 1 min Abständen zusätzlich eine automatische Aufzeichnung aller Parameter alle 30 s.
  4. Stellen Sie sicher, dass die Gase an Teilnehmer mit erweiterten 22 mm Durchmesser Atmung Schläuche durch MSR Leitungen geleitet werden. Ein Saugsystem befindet sich außerhalb der MSR und einem langen Lieferzeiten Rohr, verbunden mit einem Yankauer Saug Zauberstab übergeben wird, durch eine Leitung in der Nähe der Patienten und klinischen Beobachter platziert werden.
    1. Darüber hinaus sicherstellen Sie, dass Erbrechen Becken innerhalb der MSR zu ermöglichen, ihre schnelle Positionierung des Beobachters beim Auftreten von Erbrechen in der Nähe sind. Die klinische Beobachter innerhalb der MSR müssen wachsam sein, um eine Atemwegsobstruktion, reagiert zunächst mit einem Kinn heben oder Kiefer Schub und das Protokoll sofort einzustellen, wenn bevorstehende Erbrechen durch übermäßige schlucken oder Würgen oder Atemwege signalisiert wird Behinderung wird nicht durch das Kinn Leben oder Kiefer Schub aufgelöst.
  5. Datensatz EEG mit einer MEG kompatibel 64-Kanal Ag/AgCl Elektrode angeschlossen an eine Batterie angetrieben Verstärker innerhalb der MSR. Der Verstärker wird über ein LWL-Kabel und einen geeigneten Medienkonverter, um einen Laptop mit einem kompatiblen Datenerfassungs-Software verbunden.
  6. Rekord Magnetfeld Gehirnaktivität (MEG) bei einer Abtastrate von 1000 Hz mit einem MEG-System, die ganze Gehirn Abdeckung und hat gut definiert Arrays von Sensoren, die Magnetometer und axial/planar Gradiometer enthalten können; die vorliegende Studie nutzen ein System, bestehend aus 102 Magnetometer und 204 planar Gradiometer. Zur Vermeidung von Komplexität nicht direkt relevant für das Protokoll oder die MEG-Systemkonfiguration werden Beispieldaten aus der Magnetometer allein gemeldet, obwohl Magnetometer und Gradiometer Daten als Teil des Protokolls erworben werden.
  7. Track-Kopf position kontinuierlich mittels 5 Kopfposition Indikator (HPI) Spulen. Digitalisieren Sie die Position des Kopfes Spulen, EEG-Elektroden und Kugelmarker (Nasion und links und rechts preauricular Punkte) vor dem Scannen mit entsprechenden MEG Digitalisierung Ausrüstung.
    1. Denn Ziel ist es, Ergebnisse im Quelle-Raum zu erhalten, deaktivieren Sie jede interne Abschirmung Aktivsystem angestellt die MEG-System für Stornierungen, dreidimensionale Lärm, um die Verarbeitungspipeline in Bezug auf die Nutzung des Weltraums Signal flexibel zu gestalten Trennung (SSS) Methoden, die in der Regel beschäftigt sind.
    2. Verwenden Sie ein MRT, um entsprechende T1-gewichteten strukturelle Gehirn-Scans für spätere Co-Registrierung mit M/EEG-Ableitungen zu erhalten.

3. Studiendesign und Protokoll

Hinweis: Ein zwei-Wege-Frequenzweiche experimentelles Protokoll folgt. Führen Sie zwei separate Testsitzungen für jedes Fach, getrennt durch ein Maximum von vier Wochen zwischen den Sitzungen zu testen. Ein Arm der Studie besteht aus Xe Verwaltung N2O in den zweiten Arm gegeben ist. Teilnehmer sind blind für die Art des Gases verabreicht wird, während das medizinische Personal und Forscher sind nicht durch die geringfügigen Unterschiede im Verfahren gefolgt, für deren Verwaltung.

  1. Nach Einwilligung eingeholt wird, bestätigen Sie die Teilnehmer Berechtigung mit einer umfangreichen Anamnese Interview und Vitalparameter darunter Blutdruck, Herzfrequenz, Körper Temperatur und Peak exspiratorischen Flow. Nach Teilnehmer Förderfähigkeit bestätigt wird, erfährt das Thema eine kurze Messung in der MEG um sicherzustellen, dass es keine unerwarteten Lärmquellen gibt.
  2. Setzen Sie die EEG-Kappe auf das Thema Kopf und alle Elektroden gel. Befestigen Sie die 5 HPI Spulen auf der Kappe Kopfposition in der MEG kontinuierlich aufzeichnen.
    1. Digitalisieren Sie EEG-Kanäle, HPI Spule Positionen und extra-Punkte auf das Thema Nase zu und speichern Sie alle Standorte mit begleitenden Softwarepaket der MEG.
    2. Verschieben Sie das Thema an der MSR, schließen Sie die Elektrode GAP an den EEG Verstärker und Re gel Elektroden an, wenn erforderlich, um sicherzustellen, dass ihre elektrischen Kontakt Impedanzen unter 5 kΩ sind.
  3. Neben der MEG und EEG drei zusätzliche bipolare Bio-Kanal-Aufnahmen zu machen.
    1. Da Anästhetikum Verwaltung mit Veränderungen im Muskeltonus verbunden ist, platziert Rekord Elektromyogramm (EMG) mit einer Einweg-Ag/AgCl Elektroden submentally Aufzeichnen der Aktivität von der Mylohyoid und digastric (anterior) Bauchmuskeln.
    2. Elektro-Oculogram (EOG) durch das Anbringen von zwei Elektroden über eines der Augen, in der Nähe der Stirn, und die entsprechenden seitlichen Augenwinkel und drei-Kanal-Elektrokardiogramm (EKG) Aufnahmen mit Elektroden auf jedes Handgelenk und Ellbogen Boden (siehe ( Abbildung 1).
  4. Bitten Sie die Teilnehmer halten die Augen geschlossen in allen Phasen der Aufnahme des Experiments.
  5. Führen Sie klinische Behandlung des Themas mit einem Anästhesisten und eine Narkose Krankenschwester oder andere entsprechend ausgebildete klinische Beobachter. Haben Sie die Krankenschwester/Beobachter mit dem Thema in der MSR sitzen, um kontinuierlich Zustand des Teilnehmers (vor allem das Gesicht Maske Siegel und Thema der Atemwege) und den Anästhesisten, gelegen in der Leitwarte, Gas-Lieferung zu verwalten und elektronische Überwachung Überwachung.
  6. Sammeln Sie Daten in einem Team von drei: ein Mitglied, Überwachung und Steuerung des Erwerbs von MEG signalisieren, eine weitere Überwachung und Steuerung des Erwerbs eines EEG und anderen starten und stoppen die computerisierte auditive Dauerleistung Aufgabe während Überwachung der Probanden Antworten, koordinieren alle experimentellen Timings und recording Minute Blutdruck und Ende-Gezeiten Gaskonzentrationen und Gas-Durchfluss durch den Anästhesisten.
  7. Die Teilnehmer an der MSR über eine geeignete Kamera, die alle Phasen des Experiments für nachfolgende Beurteilung auch Datensätze kontinuierlich visuell überwachen und überprüfen.
  8. Verhaltensorientierte messen Sie die laufenden Reaktionsfähigkeit während des Experiments mit Hilfe einer auditiven Dauerleistung Aufgabe (aCPT). Verwenden Sie MEG kompatible Kopfhörer liefern einen binauralen auditiven Ton entweder 1 oder 3 kHz Frequenz von festen Stereo-Amplitude (ca. 76 dBA), mit einem inter-Stimulus-Intervall von zwischen 2 bis 4 Sekunden eine gleichmäßige Verteilung entnommen.
    1. Bitten Sie die Teilnehmer reagieren so schnell wie möglich mit zwei separate Taste Boxen in jeder Hand gehalten. Mithilfe der linken und Rechte Tasten auf jedes Feld entsprechen Low oder hochfrequenten Ton, bzw., und der linke und Rechte Taste Kisten, bzw. für die Teilnehmer an das Fehlen oder Vorhandensein von Übelkeit.
  9. Verfolgen Sie Reaktionsfähigkeit während des Experiments. Die Reaktionszeit Latenz und Genauigkeit (Anteil der Töne richtig klassifiziert) der Antworten werden automatisch aufgezeichnet sowie Anzeige auf einem Monitor außerhalb der MSR für die Forscher ein Echtzeit-Indikator für die Teilnehmer Verhaltens zu erhalten Zustand.
    1. Im Anschluss an mehrere sequenzielle Rechtstaste Box Antworten (d. h. Übelkeit), alarmieren den Betrachter in die MSR und der zuständigen Anästhesisten, die gas-Verwaltung müssen möglicherweise abrupt beendet werden, um Erbrechen zu vermeiden.
  10. Rekord Augen ruhen EEG und MEG für 5 min, gefolgt von einer 5 min Augen geschlossenen Grundlinie EEG/MEG Aufnahme mit dem Thema aCPT Aufgabe.
  11. Entfernen Sie das Thema aus der MSR und ermöglichen Sie eine 20 Gauge intravenöse Kanüle durch den Anästhesisten in der linken Antecubital Fossa platziert werden. Anti-Brechmittel Verwaltung, vorkommenden langsam über einen Zeitraum von 1 bis 2 Minuten, bestehend aus 4 mg Dexamethason und 4 mg Ondansetron59, folgt jedem Erbrechen verursacht durch betäubende Gas einatmen, die oft mit N2O an beobachtet wird zur Vermeidung der höhere Konzentrationen verwendet60.
  12. Befestigen Sie die Gesichtsmaske atmen Schaltung, das Thema mit einem modifizierten Schlafapnoe kontinuierliche positive Airways Druck (CPAP) Geschirr und bewerten für Thema Komfort und das Fehlen von Undichtigkeiten bei 5 cm H2O Überdruck.
  13. Zurück zum Thema der MSR in der MEG für den Rest der Studie sitzen bleiben.
  14. Eine Reihe von vorbeugende Maßnahmen um begrenzte Bewegung während der gleichzeitigen MEG und EEG-Aufnahmen zu gewährleisten, da Kopf und Körper Bewegung kann dazu führen, dass große Artefakte in elektromagnetische Aufnahmen und sind zu erwarten bei der Verwaltung von der dissoziativen Anästhetika durch ihre bekannte Neigung, psychomotorische Unruhe auslösen.
    1. Legen Sie eine Custom-Built Kappe aus eine geringe Dichte ungefärbt Schaum auf dem Kopf die Kopfposition im Inneren des Helms MEG Dewar unabhängig von Kopfgröße und Form sichert.
    2. Darüber hinaus Verwendung ein Tuch Gurt um die Oberschenkel und die Gesäßmuskulatur gewickelt und an der Rückseite des Stuhls MEG jede schlaffe/slouching zu minimieren, die in vertikaler Position des Teilnehmers erfolgt gesichert (siehe Abbildung 1).
    3. Während der Aufnahme verfolgen die Kopfposition kontinuierlich mit den HPI-Spulen um zu offline nach Beendigung des Experiments zu sehen (siehe Daten-Analyse für weitere Details).
  15. Sobald der Teilnehmer sicher positioniert ist, verwalten 100 % O2 inspiriert und auch weiterhin diese für bis zu 30 Minuten, bis ihr Ende-Gezeiten O2 -Konzentration ist > 90 % angibt, sie sind effektiv de-Nitrogenated, ein Prozess muss sichergestellt werden genaue Messungen von Ende-Gezeiten Narkose Gaskonzentrationen.
    1. Während der letzten 5 Minuten des Denitrogenation führen Sie eine letzte 5 Minuten Augen geschlossenen ruhenden EEG/MEG aCPT Aufnahme um sicherzustellen, dass alle Effekte Anti-Brechmittel Verwaltung und Denitrogenation auf die Gehirnaktivität können anschließend bestimmt und gesteuert werden können für.
    2. Vergleichen Sie diese Dritten Grundlinie Aufnahme zu den vorherigen Basislinien (Rest ohne Anti-Brechmittel und Aufgabe ohne Anti-Brechmittel geschlossenen Augen geschlossenen Augen) Ermittlung die Auswirkungen, die antiemetische und aCPT auf spontane/ruhen M/EEG haben. Die Basislinien gekennzeichnet als Baselines 1, 2 und 3 in der Handschrift für Rest Augen geschlossen ohne Anti-Brechmittel Aufgabe ohne Anti-Brechmittel und Aufgabe Augen geschlossen mit Anti-Brechmittel, bzw. geschlossen.

Figure 1
Abbildung 1 : Bilder zeigen EEG, EOG, EMG und EKG-Elektroden-Layout und die gesamte Einrichtung innerhalb der MSR. (A) zeigt die 64-Kanal MEG kompatibel Kappe verwendet, um das EEG, EOG erfassen aufgezeichnet wird, mit den beiden Elektroden platziert oberhalb und unterhalb des linken Auges gezeigt, EMG ist aufgenommen mit zwei Elektroden, die unter dem Kiefer und ECG ist mit zwei Elektroden auf die Handgelenk. (B) zeigt die maßgeschneiderte Schaum Kappe und Kabelbaum verwendet, um die Bewegung des Motivs während der Aufnahme zu minimieren. (C) zeigt die endgültige Konfiguration für Narkose Verwaltung umfasst den Kopf innerhalb der MEG Positionierung und Befestigung einer enganliegenden Gasmaske erforderlich. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

4. Gas Administration Protocol

Hinweis: Das Gas-Verwaltung-Protokoll variiert leicht je nach dem Arm der Studie.

  1. Verwalten von Xe um vier Uhr schrittweise Erhöhung Niveaus und N2O um drei Uhr schrittweise Erhöhung der Ebenen. Die ersten drei Gas-Levels für jedes Gas entsprechen Equi-MAC-wach Ebenen von 0,25 (Stufe 1), (Ebene 2) 0,5 und 0,75 (Stufe 3) Mal die MAC-wach-Konzentration. Diese Konzentrationen sind 8 %, 16 %, 24 % und 16 %, 32 %, 47 % Konzentrationen für Xe/O2 und N2O/O2, beziehungsweise.
    Hinweis: Die 4th für Xe entspricht 1,3 Mal der Konzentration MAC wach.
  2. Wählen Sie die 4th Gas für Xe, dass 95 % der Teilnehmer das Bewusstsein auf dieser Ebene sollen (alle bisher untersuchten Themen haben vollständige Verlust der Reaktionsfähigkeit während der aCPT Aufgabe erreicht) verlieren. Wegen der gut dokumentierten Neigung N2O, Übelkeit und Erbrechen bei hohen Konzentrationen induzieren eine N2O-Ebene in einer Konzentration, die ausreicht, um den Verlust des Bewusstseins in 95 % der Teilnehmer (~ 75 %) induzieren nicht enthalten. Abbildung 2 fasst die Gas-Verwaltung-Profile.
  3. Experimentelle Verfahren für alle Equi-MAC Xe und N2O mit Ausnahme von 42 % Xe/O2, erfordern eine etwas andere Methode (siehe 4.4. unten).
    1. Informieren Sie zu Beginn eines jeden Levels den Betreff und die Narkose Krankenschwester/klinische Beobachter darüber, dass Gas Verwaltung wird beginnen und mit der Aufnahme der EEG und MEG, signal an die Verwaltung Anästhesist beginnen Gas Verwaltung und aCPT Task starten. Gas-Wash-in dann tritt für einen Zeitraum von 10 Minuten, so dass die Zielkonzentration Ende-Gezeiten Gas am Ende dieses Zeitraums erreicht wird und für 5 Minuten (die angenommene stationäre Phase) beibehalten.
    2. Am Ende dieser Periode 5 Minuten stationären führen Sie das Auswaschen mit der Verabreichung von 100 % O2 über einen Zeitraum von 10 Minuten während, die Ende-Gezeiten Gaskonzentration auf 0 zurück.
    3. Wiederholen Sie den Vorgang für die nächste Schritt Gas Stufe.
      Hinweis: Verlust der Reaktionsfähigkeit (LOR) für Xe wird voraussichtlich in 95 % der Teilnehmer in einer Konzentration von 42 % Xe/O261erreicht werden. Die Verwaltung dieser Ebene tritt für die unteren Ebenen, bis die Narkose Krankenschwester/klinische Beobachter und den Verlust der Schaltfläche Antworten LOR angeben.
  4. LOR erreicht, die Xe-Gas-Niveau zu halten, für 10 Minuten oder bis Sie den Anästhesisten oder Narkose Krankenschwester/klinische Beobachter halten es weiterhin nach dem Auswaschen mit 100 % O2 nimmt Plätzen unsicher. Fällen, in denen der Anästhesist es weiterhin unsicher erachten, umfassen häufig Drücken der rechten Taste Box angibt, Übelkeit, Glottis Geräusche, Anzeichen von Emesis wie übermäßiger Speichelfluss oder schlucken und Vaso vagalen Reaktionen.
    Hinweis: Auf dieser höchsten Ebene erhebliche Vorsicht walten lassen und einen geringen klinischen Schwellenwert für Xe Gas Verwaltung absetzen. Die Autoren Erfahrung zeigt, dass dieser Ebene einen Rückgang beim Schlucken, zugeordnet werden kann die Ansammlung von Speichel und das Auftreten von Brechreiz-ähnliches Verhalten, dass, wenn erlaubt, weiterhin Mai Ahnen Regurgitation in die Maske. Natürlich könnte die Folgen dieser lebensbedrohlichen Anspruch enthalten. Es ist auch möglich, dass weniger intensive Antworten auf den unteren Ebenen der Gas auftreten und somit ein hohes Maß an Wachsamkeit während der Verabreichung von allen schrittweise Gas Ebenen ausüben. Neben diese potenzielle Probleme der Atemwege des Potentials für Vasovagale Synkope, besonders in den jüngeren männlichen Teilnehmern bewusst sein. Ihr Alter und die zeitweilige Beschränkungen von Flüssigkeit und Nahrung sind alle Risikofaktoren62.

Figure 2
Abbildung 2 : Zusammenfassung der Gas-Administration Profile für Xe und N 2O. Timeline und Gas-Konzentrationen während der Kurs des Drug Administration für N2O (oben) und Xe (unten). Die Zahlen oben jedes Schnittfenster geben die Zeit in Minuten seit dem Start der ersten Gaslieferung. Jeder Peak equilibriert Gas-Konzentration wird durch einen 10-minütigen Äquilibrierung Periode, gefolgt von ein 5 Minuten-Steady-State, während dessen die Spitzenkonzentration equilibriert Gas aufrechterhalten wird, und dann eine 10-minütige Auswaschung erreicht. Der Gipfel equilibriert Gas Konzentrationen nacheinander im Laufe der Zeit erhöhen. Beachten Sie, dass die Zeitachse der Vorbereitung für das Experiment als auch den Zeitraum nach der Verabreichung von Gas werden nicht angezeigt. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

(5) strukturelle Scan

  1. Legen Sie vor der MRT Vitamin E Kapseln am Kopf des Teilnehmers als Marker verwendet werden, um die digitalisierten treuhändische Punkte für die nasale Apex und links und rechts preauricular Punkte hervorheben. Dies gewährleistet eine bessere Co-Registrierung der MEG/EEG-Sensoren und MRI Gehirn-Scans, beim Versuch, MEG/EEG Quelle Bildgebung MRT-basierte Neuroanatomie beziehen.
  2. Erhalten Sie einem einzigen strukturellen T1-gewichteten MRT-Scan entweder nach der Fertigstellung von einem Arm der Studie, wenn der Teilnehmer gut fühlen, ansonsten Fragen sie an einem separaten Tag für die strukturelle Gehirn-Scan zurück.

6. Teilnehmer Follow-up

Hinweis: Das Thema ist frei, in Begleitung von einem Freund oder Verwandten zu lassen.

  1. Bitten Sie bei der Entlassung die Teilnehmer, füllen Sie eine verkürzte Version des 5-dimensionalen Altered States des Bewusstseins Rating Scale (5 D-ASC); einen Fragebogen entwickelt, um individuelle Unterschiede durch Vergleich normal und veränderten Bewusstseins Status mittels einer visuellen Analogskala63,64zugreifen.
  2. Darüber hinaus bitten Sie für die Einreichung von eine kurze Erzählung über ihre gesamte Erfahrung während das Experiment als auch spezifische Details über Level abhängigen qualitative Effekte.
  3. Haben Sie beide Dokumente ausgefüllt und an die Forscher 24 Stunden nach jeder Aufnahme-Session.

7. die Datenanalyse

Hinweis: Dieser Abschnitt beschreibt grundlegende Datenanalyse an der MEG/EEG-Sensor-Ebene für die Schritte in der Generierung von Beispiele für vorverarbeitete MEG/EEG-Daten, spektrale Topographie Kopfbewegungen, Reaktionsfähigkeit scoring und auditive evozierten Antworten. Der Schwerpunkt dieses Artikels ist auf der Abbildung der typische Beispiele, so dass der Leser wichtige Merkmale der aufgezeichneten Daten verstehen kann. Keine Intra Einzel- oder unternehmensweite statistische Analysen werden durchgeführt, wie das Hauptziel in diesem Abschnitt Analyse ist zum detail wichtige Schritte, die die Qualität und Integrität der Daten bestätigen die Vorverarbeitung gesammelt. Keine Angaben für die unzähligen Analysen, die auf diese Daten55,56 durchgeführt werden könnte, wie sie nicht in den Anwendungsbereich der Beschreibung der Methode fallen.

  1. Komplett offline-Daten-Analyse auf einem Desktopcomputer mithilfe geeigneter Software zur Datenanalyse und relevanten Werkzeugkästen für EEG und MEG Datenverarbeitung. Verwenden Sie in die Autoren-Pipeline Version 20160801 von der Exkursion Toolbox65 .
  2. Berechnen Sie Kopfbewegungen während jeder MEG Aufnahme durch den ersten Erhalt die kontinuierliche Kopf Positionen als eine Folge der Quaternion-Koordinaten durch die Analyse der 5 HPI Spule Signale als Teil eines jeden Schwierigkeitsgrad abhängig und die Basislinie MEG Aufnahmen gespeichert. Umwandeln Sie Kopf Positionen von Quaternion in kartesischen Koordinaten.
  3. Montieren Sie die 6 und 7 Aufnahmen für N2O und Xe studieren Arme (Basislinien 1, 2 und 3, gas bzw. Ebenen 1 bis 3 oder 1 bis 4). Zeit Verschiebung roh EEG im Vergleich zu MEG Daten um die zwei Signaltypen synchronisieren basierend auf einem gemeinsamen Triggerkanal. Diese Form der Synchronisation ergibt sich aus der Wahl der EEG-Recording-System.
    Hinweis: Viele MEG-Systeme enthalten einen eingebauten im EEG-System, das sehr präzise elektronische Ebene Synchronisation von MEG und EEG bietet, aber haben oft niedrige Auflösung DAC Quantisierung von 16 Bits. Aus diesem Grund nutzen ein externes EEG-System (siehe 2.3) mit höheren 24-Bit EEG Amplitudenauflösung ermöglichen eine höhere Toleranz gegenüber Elektrode kompensiert Potentiale, die Messung von niederfrequenten Informationen und einen flachen Frequenzgang auf allen Kanälen.
  4. Definieren Sie für alle Aufnahmen an Gas-Lieferung und aCPT Leistung Zeit Null, der Förderbeginn aCPT Aufgabe/Gas.
  5. MEG-Rohdaten zu überprüfen und keine schlechte Kanäle von der weiteren Analyse ausgeschlossen. Anschließend filtern Sie die Daten mit einem zeitlichen Signal-räumliche Trennung Algorithmus76 in der MEG-System-Software implementiert. Der Algorithmus magnetische Störquellen außerhalb der Sensoranordnung unterdrückt und damit führt zu einer Reduzierung der externen oder starre Körper Bewegungsartefakte. Importieren Sie das Ausgabe-Dataset in der Datenanalyse-Software mit dem Magnetometer (102 Kanäle) zur weiteren Bearbeitung ausgewählt.
  6. Bandpass-filter die MEG bei 2 bis 50 Hz und Lärm Netzfilter bei 50, erlauben 100 und 150 Hz. Visual-Artefakt-Erkennung und eine automatische Artefakt Nachweisverfahren in der Exkursion Software implementiert für die Beseitigung jeglicher Serums Elemente. Überprüfen Sie alle Segmente mit Auge blinkt, Herzschlag oder muskuläre Artefakte und ausschließen aus den Daten sowie alle Segmente korreliert mit erheblichen Veränderungen in der Kopfbewegung größer als 5 mm (siehe unten).
    Hinweis: Bewegungen von mehr als 5 mm in Bezug auf den Beginn eines jeden 5 Minuten Grundlinie oder Gas equilibriert Periode werden verwendet, um kontinuierlich erfassten MEG Daten abzulehnen, da MEG Quelle Bildgebung in der Regel eine räumliche Auflösung des Ordens (z.B. für 5 mm hat MEG/EEG Beamformers55). Es ist jedoch möglich, Bewegung Entschädigung der MEG Daten durchzuführen66 anstatt abzulehnen Datensegmente korreliert mit erheblichen Kopfbewegung, aber solche Methoden außerhalb dieses Papiers liegen.
  7. Wie bei MEG Daten visuell inspizieren Sie das 64-Kanal-rohe-EEG und weitere Datenanalyse schließen Sie keine schlechte Kanäle aus. Bandpass-filtern die Daten unter Verwendung der gleichen Frequenzbereiche für die MEG. Neu referenzieren Sie das EEG auf einen gemeinsamen Durchschnitt als standard für Source imaging Ansätze ist. Schließlich entfernen Sie alle Segmente mit Artefakte gleichzeitig mit derjenigen der entsprechenden MEG.
  8. Um die spektralen Eigenschaften der MEG/EEG-Daten zu visualisieren, berechnen Sie einseitig Amplitude Spektren entlang der anterior-posterioren Mittellinie für die EEG-Kanäle, FPz, Cz und Oz und Mittellinie frontal, Mittel- und okzipitalen MEG Magnetometer Kanäle ( Abbildung 3 ).
    1. Berechnen Sie die Sensorebene topografische Karte von alpha Band (8-13 Hz) macht für MEG/EEG, angesichts dieser starke alpha Band, die Veränderungen beobachtet wurden zuvor für N2O und GABAergen Anästhetika25,31,67 .
    2. Verwenden Sie für EEG-Daten den FPz-Kanal als Referenz topographische alpha Band um besser alpha macht Änderungen hervorheben berechnet.

Figure 3
Abbildung 3 : EEG (A) und MEG (B) Sensor-Layouts von der Oberseite des Kopfes betrachtet und in einer Ebene abgeflacht. Beachten Sie die MEG Triplett Struktur, wo Sensoren endet in Backe 1 Magnetometer und endet in Backe 2 oder Backe 3 Sensoren sind Gradiometer. Rote Kästchen zeigen an den Kanälen entlang der anterior-posterioren Mittellinie verwendet, um die spektralen Eigenschaften der EEG und MEG, FPz (Frontal), Cz (zentral) und Oz (Occipital) und Frontal, Mittel- und okzipitalen Magnetometer Kanäle bzw. zu visualisieren. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

  1. Erhalten Sie auditive evozierte Antworten für gefilterte artefaktfrei MEG und EEG-Daten für jede Aufnahme mit aCPT Aufgabe. Epoche, die die Signale von-1000 ms + 2000 MS im Vergleich zu den Ton mal auslösen und Durchschnitt aller verfügbaren Artefakt freie Epochen. Nehmen Sie die Latenz zwischen Reiz Trigger Erzeugung und Lieferung von Ton an das Ohr zu berücksichtigen, in diesem Fall 190,5 ms.

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Representative Results

In diesem Abschnitt nutzt Daten aus einem Thema um die typischen Merkmale der gleichzeitige Aufnahmen zu demonstrieren und das Potenzial solcher Informationen, ein besseres Verständnis der Betäubungsmittel induzierte beizutragen veränderte Bewusstseinszustände. Um die Exposition zu vereinfachen, Ergebnisse werden angezeigt für i) Aufnahmen von den post-anti-Brechmittel Verwaltung Basisplan (Baseline 3), (Ii) 0,75 Equi-MAC-wach Gaskonzentrationen (Ebene 3) von N2O (47 %) und Xe (24 %) und Iii) Xe Gas Spitzenkonzentration von 42 % () (Stufe 4). Ebenen 3 und 4 wurden ausgewählt, als sie höchste stationäre bzw. für N2O und Xe, in Betracht gezogen werden. Darüber hinaus Stufe 4 Xe beinhaltet einen deutlichen Verlust der Reaktionsfähigkeit, ein Staat nicht in der Regel erreichbar für N2O.

Um das Ausmaß der Kopfbewegung verdeutlichen sind der absoluten Positionen aller 5 HPI Coils als Funktion der Zeit bei mehreren Aufnahmen gezeigt. Abbildung 4 zeigt deutlich, dass die Schritte befolgt, um begrenzte Bewegung während der Scans sorgen akzeptables Maß an Kopf und Körper Bewegung trotz pharmakologische Intervention zugeordnet sind. Ein bemerkenswertes Beispiel des umfangreichen Kopfbewegung sehen in Abbildung 4(Ii) zwischen 20-25 Minuten (während der Auswaschphase) als große Kopfbewegung aufgenommen wurde. Solche Perioden werden visuell erkannt und aus den Daten entfernt. Das Protokoll stellt sicher, dass stabile Ende-Gezeiten Gaskonzentrationen auf allen Ebenen einfach und leicht erreicht werden können (siehe Abbildung 4), mit Thema Reaktionsfähigkeit robust anhand der aCPT Aufgabe. Zahlen 4(ii) und 4(iv) zeigen eindeutig solche bewerteten Reaktionsfähigkeit während der 5 Minuten-Steady-State-Phasen für Xenon und Lachgas. Abbildung 4 (V) gibt Verlust der Reaktionsfähigkeit (0 % Genauigkeit) in der Steady-State-Zeit unter 42 % Xe Verwaltung, wie erwartet.

Figure 4
Abbildung 4 : Beispiele für Kopfbewegung, gas-Konzentration und aCPT Genauigkeit Zeitreihen von einem Teilnehmer für (i) Grundlinie 3 (post Antiemetikum) vor N 2 O Verwaltung, (Ii) 47 % N 2 O (Stufe 3), (Iii) Grundlinie 3 vor der Xe Verabreichung, (iv) 24 % Xe (Stufe 3) und (V) 42 % Xe (Stufe 4). Jeder Sub-Abbildung zeigt absolute Bewegung (oben) der 5 Kopf Spulen (Legende unten (Ii) zeigt Spulen) und gas-Konzentration (unten, rot) und aCPT Genauigkeit (unten, blau) als Funktion der Zeit in Minuten. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Mal sind Beispiele für die gefilterten artefaktfrei MEG und EEG Daten entlang der Mittellinie der anterior-posterioren für das gleiche Thema wie in Abbildung 4 gezeigt ausgerichtet 10-Sekunden-für N2O und Xe in Abbildung 5 Segmente. Grundlinie 3 (post Antiemetikum) für Xe und N2O zeigt starke alpha Schwingungen in den okzipitalen Kanälen (Oz für EEG) und einen okzipitalen Magnetometer-Kanal für MEG. Die Narkose Ebene für Ebene 3 N2O (47 % Peak Gas) mit zunehmender Gesamtsignal macht, mit Reduzierung des alpha Band macht besonders deutlich sinkt. Im Gegensatz dazu wird alpha-Aktivität, als Reaktion auf Xe Verwaltung bis Stufe 4 (42 % Peak Gas) nicht signifikant reduziert. Im Gegensatz zu N2O steigende Xe-Konzentrationen sind deutlicher verbunden mit einer Erhöhung der Amplitude der Delta (0 - 4 Hz) und Theta (4-8 Hz) Band Aktivität, wird besonders deutlich am zentralen Standort während 42 %-Administration (Stufe 4) in der MEG.

Figure 5
Abbildung 5 : Beispiel für eine abgestimmte 10 zweite Zeitfenster von gefilterten artefaktfrei MEG (A) und (B) EEG Daten für das gleiche Thema in Abbildung 4 für die Fälle von (i) Grundlinie 3 (post Antiemetikum) vor N2 O Verwaltung, (Ii) 47 % N 2 O (Stufe 3), (Iii) Grundlinie 3 (post Antiemetikum) vor der Xe Verabreichung, (iv) 24 % Xe (Stufe 3), (V) 42 % Xe (Stufe 4). Ausgewählten Zeitraum war ein Fragment des 5-Minuten-Steady-State für 24 % Xe und 47 % N2O, während 42 % Xe, die Epoche der ausgewählten Daten war während der Zeit der Verlust der Reaktionsfähigkeit, wie das Thema aCPT Antwort angegeben. Frontal (blau), Mittel-(rot) und okzipitalen (grün) entsprechen den jeweiligen MEG Magnetometer und EEG-Kanäle. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Die Veränderungen der Signalleistung beobachtet in Abbildung 5 sind einseitig Amplitude Spektren der gleichen Signale in Abbildung 6weiter detailliert. Während es eine Reihe von beobachteten Veränderungen in der Energie beim Übergang vom Ausgangswert auf Gas entstehen, erscheinen die wichtigsten Änderungen die allmähliche Dämpfung der starken Basis alpha Band (8-13 Hz) macht, beobachtet in den okzipitalen Elektroden mit zunehmende Gaskonzentrationen. Ergänzt wird dies mit zunehmender Niederfrequenz-Delta- und Theta-Band-Aktivität.

Figure 6
Abbildung 6 : Amplitude Spektren für die gleichen MEG (A) und (B) EEG-Daten für die Fälle von (i) in Abbildung 5 dargestellten Basislinie 3 (post Antiemetikum) vor N2 O Verwaltung, (Ii) 47 % N 2 O (Stufe 3), (Iii) Grundlinie 3 (post Antiemetikum) vor der Xe Verabreichung, (iv) 24 % Xe (Stufe 3), (V) 42 % Xe (Stufe 4). Frontal (blau), Mittel-(rot) und okzipitalen (grün) Kanäle entsprechen jeweils MEG Magnetometer und EEG-Kanäle. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 7 zeigt ein Beispiel für die topographischen Veränderungen in alpha Band macht verbunden zu einem Anstieg der Xe und N2O Gaskonzentration. Beachten Sie die klare Dämpfung der posterioren alpha macht mit Zuwächsen in Xe und N2O, konsistent mit Änderungen, die zuvor für N2O und GABAergen Anästhetika25,31,67beobachtet.

Figure 7
Abbildung 7 : Topographische Alpha (8-13 Hz) band macht im (A) MEG (nur Magnetometer) und (B) EEG für das gleiche Thema wie in den Abbildungen 5 und 6 für die Fälle von (i) Grundlinie 3 (post Antiemetikum) vor N2 O Verwaltung, (Ii) 47 % N 2 O (Stufe 3), (Iii) Grundlinie 3 (post Antiemetikum) vor der Xe Verabreichung, (iv) 24 % Xe (Stufe 3), (V) 42 % Xe (Stufe 4). Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Zu guter Letzt zeigt Abbildung 8 Beispiel Sensorebene MEG und EEG auditive evozierte Antworten, die mit der Aufgabe, Protokoll und aCPT für das gleiche Thema wie in den Abbildungen 5 bis 7. Es ist festzustellen, dass Anstieg in den Xe und N2O Gaskonzentration führen zu einer Schwächung des ersten Peaks Antwort und auch die Verzögerung, Dämpfung oder verschwinden der späteren Antwort Gipfeln, vor allem bei Verlust der Reaktionsfähigkeit für Xe Level 4 (42 %).

Figure 8
Abbildung 8 : Sensorebene auditive evozierten Antworten für die MEG (A) und (B) EEG für das gleiche Thema wie in den Abbildungen 5 bis 7 für die Fälle von (i) Grundlinie 3 (post Antiemetikum) vor N2 O Verwaltung, (Ii) 47 % N 2 O (Stufe 3), (Iii) Grundlinie 3 (post Antiemetikum) vor der Xe Verabreichung, (iv) 24 % Xe (Stufe 3), (V) 42 % Xe (Stufe 4). Farbige Schmetterling Grundstücke entsprechen kanalweise Zeit Ensemble Antworten. Für jeden Schmetterling Plot entspricht die topographische Karte der Spitze Antwort. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

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Discussion

Dieses Papier hat ein umfassendes Protokoll für die gleichzeitige Aufnahme von MEG und EEG während der Narkose Gas-Lieferung mit N2O und Xe umrissen. Ein solches Protokoll wird für die Untersuchung der elektromagnetischen neuronale Korrelate des Betäubungsmittel-induzierte Reduktionen im Bewusstsein wertvoll sein. Das Protokoll soll auch auf die Lieferung von anderen anästhetische Gase wie Sevofluran oder Isofluran verallgemeinern. Dies erleichtert ein größeres Verständnis für die gemeinsamen, spezifischen und unterschiedlichen makroskopischen Mechanismen, die Narkose-induzierte Reduktionen im Bewusstsein für eine Reihe von Anästhetika mit ganz unterschiedlichen molekularen Modi und Ziele der Aktion zugrunde liegen. Verstehen, wie Anästhetika Funktion ist wohl eines der großen Probleme der Neurowissenschaften und ist wohl Schlüssel zum Verständnis der neurochemischen Grundlagen des Verhaltens.

Die Beispielergebnisse sind völlig im Einklang mit früheren Studien, die untersuchen Narkose induzierte EEG spektrale Leistungsänderungen, so bescheinigt die Treue des Protokolls wir entwickelt und beschrieben. Im Falle von N2O Verwaltung, entsprechen die Ergebnisse zusammengefasst über Rückgänge bei Delta, Theta und Alpha Band macht im EEG, die für hohe inspiriert von N2O beobachtet wurden (> 40 %)25,28, 31. Ebenso sind unsere Ergebnisse während der Narkose Xe Einklang mit wenigen veröffentlichten Berichte über die Auswirkungen von Xe mit hoher Dichte EEG. Z. B. Johnson Et Al. 29 unter Beweis gestellt, eine Verlangsamung des EEG mit erhöhten Gesamtleistung im Delta und Theta Band vor allem im frontalen Regionen, Ergebnisse, die übereinstimmen mit den typischen Ergebnissen, die wir hier vorgestellt haben. Weitere Johnson Et Al. festgestellt, dass Xe Inhalation war verbunden mit einem Anstieg der beiden vorderen und hinteren Mittellinie Delta, mit diesen langsamen Welle Tätigkeit Veränderungen werden topographisch inhomogen in der Natur, eine Beobachtung, die Spiegel der Variabilität in der Frequenz Band Topografie der anterior-posterioren Achse in dieser Untersuchungsergebnisse demonstriert. In Bezug auf Änderungen in höherer Frequenz Aktivität (alpha Band und oben), wird das Bild sehr viel weniger klar. Hartmann Et Al. 34 beschrieben einen Rückgang der globalen alpha Aktivität, etwas ähnlich wie die Autoren Ergebnisse und eine globale Erhöhung der Beta-Band (13-30 Hz) Leistung, während Laitio Et Al. 33 zeigten eine Zunahme im frontalen Alpha und einer Abnahme der posterioren alpha-Aktivität. In der Beta und Gamma Frequenzbereiche Johnson Et Al. 29 verzeichneten weit verbreitet in Gamma-Band (35-45 Hz) macht während Goto Et Al. 32 ein Rückgang. Zusammenfassend lässt sich sagen ist diese Methode auch in der Lage, Veränderungen im elektromagnetischen Gehirnaktivität, die für N2O und Xe mithilfe einfachere Aufnahme Konfigurationen berichtet worden zu entlocken.

Wir haben klare Beispiele für die Auswirkungen gezeigt, dass die gasförmiger Anästhetika Xe und N2O induzieren in der Amplitude Spektren, alpha Band Topographie macht und auditive evozierte Antworten der gefilterten Artefakt-freie MEG/EEG-Daten. Ausführlichere Daten-Analyse-Methoden bieten wichtige Einblicke in die Mechanismen der betäubende Wirkung und die entsprechenden globalen und lokalen Veränderungen der Netzwerkverbindung, die in veränderten Bewusstseinszuständen auftreten dürfte. Jenseits der Sensor-Daten und mit Blick auf Quellaktivität liefert eine Darstellung der Änderungen in spontane Aktivität, die besser Neuroanatomie (für eine Rezension siehe 55) zugeordnet werden können. Diese Quelle-Ebene Daten verschiedene funktionelle Verknüpfung Maßnahmen (für eine Rezension siehe 56) zuweisen wird erwartet, dass zum weiteren Verständnis der Rolle, die Störungen in funktionelle Verknüpfung in Narkose-induzierten Rückgang beitragen Bewusstseins-1.

Pharmaco-MEG heute wurde für die Charakterisierung der Narkose Maßnahme, mit Ausnahme einer Handvoll Studien über diagnostische Sedierung oder Verbesserung der epileptogenen Aktivität bei Epilepsiepatienten genutzt. Bemerkenswerte Beispiele solcher Studien MEG Hall Et al. 68 , 69 , wo eine orale Einzeldosis von Diazepam verabreicht wurde, Cornwell Et Al. 70 wo Sub Anästhetikum Ketamin durchdrungen war, Saxena Et Al.71 die Propofol-Sedierung und Quaedflieg Et Al. angeschaut 72-Untersuchungen über die Auswirkungen von Remifentanil auf Missverhältnis Negativität. In jüngerer Zeit, Muthukumaraswamy und Kollegen73 beschäftigt MEG in eine funktionelle Verknüpfung Untersuchung Beruhigungsmittel Dosen von Ketamin enthüllt wichtige oszillierende Änderungen, insbesondere in Alpha, Theta und Gamma macht, sowie erhebliche Änderungen in der NMDA-vermittelten Frontal-parietalen Konnektivität. Unsere Ergebnisse zeigen deutlich das Potential und die Nützlichkeit des gleichzeitig aufgenommenen MEG und High-Density-EEG in der Erforschung der Mechanismen der Anästhesie. Die Autoren wissen keine vorherige gleichzeitige MEG/EEG-Studie bei Menschen mit flüchtigen ausgeführt wurde oder gasförmiger Anästhetika und damit die hier beschriebene Methode werden hoffentlich weitere Anstrengungen in dieser Richtung anzuregen.

Es gibt mehrere Einschränkungen verbunden mit unserem Protokoll, die erwähnt werden sollten. Erstens die Versuchsdurchführung wurde entworfen mit gasförmige Narkosemittel Verwaltung im Auge und wichtig, und noch Untrialled, Änderungen müssen berücksichtigt werden, wenn mit anderen Arten von Anästhetika wie die flüchtigen Agenten am besten veranschaulicht durch Sevofluran. Bei flüchtigen Inhalation Anästhetika empfehlen wir die Verwendung von ein laryngeal Mask Fluglinie zu Fluglinie Durchgängigkeit zu gewährleisten, jedoch die invasive Art des Verfahrens sollte beachtet werden. Zweitens haben wir eine sehr einfache akustische Dauerleistung Aufgabe Reaktionsfähigkeit zu überwachen. Eine einfache akustische Dauerleistung Paradigma wurde gewählt, da Ereignis bezogenen Änderungen nicht der Schwerpunkt dieser Untersuchung waren. Für die Untersuchung genauere Zusammenhänge zwischen Hirnaktivität und Kognition während der Narkose immer komplexer und hervorstechenden auditive77, visuelle71 und taktile78 Reize müssen genutzt werden. Kopfbewegungen während der Narkose ist auch eine mögliche Bildgebung zu verwechseln, die wir angesprochen haben, durch den Einsatz von speziell angefertigten Schaum Mütze hält den Kopf sicher in der MEG Dewar, ein Geschirr, das den Teilnehmer in der MEG Stuhl und strengen Artefakt sicher hält Verfahren. Zu guter Letzt fehlt eine explizite Humanfaktoren Analyse79 , die das Ausmaß quantifizieren könnte, andere Forscher leicht dieses Protokoll folgen könnte, dieses Papier. Während wir mehrere Hinweise auf die Einschränkungen und anderen Faktoren im Zusammenhang mit der Durchführung von Inhalation Anästhesie mit Xenon und N2O während der Aufnahme von EEG/MEG bieten, könnte die Entwicklung von spezifischen Kennzahlen der Leistung zur verwendet worden sein Geben Sie die relative Bereitstellung von Ressourcen und Zeit, um bestimmte Abschnitte des Protokolls.

Die hier beschriebenen Ergebnisse zeigen deutlich, dass es möglich ist, gleichzeitig aufnehmen MEG und EEG in der restriktiven Einstellung der MEG magnetisch abgeschirmten Umgebung und gleichzeitig hohe Qualität der Daten, die mit minimalen Kopfbewegung ist, und zufällige Artefakt. Solche Methoden werden voraussichtlich erhebliche klinische Auswirkungen haben, wie sie genutzt werden können, um jede möglichen universal Mechanismen der Anästhesie, besser zu verstehen, die wiederum zu Verbesserungen bei der klinischen Überwachung von Anästhetika führen könnten, durch die Vermeidung von Zwischenfällen Perioperative Sensibilisierung und Verbesserung der postoperativen Ergebnisse74,75. Darüber hinaus das Setup beschränkt sich nicht unbedingt auf Anästhesie Untersuchungen aber kann entsprechend geändert werden, um verschiedene Arten von pharmakologischen Interventionen, gasförmige oder anderweitig unterbringen.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Acknowledgments

Die Autoren möchten Mahla Cameron Bradley, Rachel Anne Batty und Johanna Stephens für wertvolle technische Hilfe mit MEG Datenerhebung zu danken. Vielen Dank werden zusätzlich auf Dr. Steven Mcguigan für Unterstützung als eine zweite Anästhesist ausgedehnt. Paige Pappas zur Verfügung gestellt von unschätzbarem Wert Narkose Krankenschwester versehen. Markus Stone dargebotene gnädig seine Zeit und Know-how in der Bearbeitung und Filmen das Protokoll. Dr. Suresh Muthukumaraswamy gab spezifische Beratung in Bezug auf Daten-Analyse und die Interpretation der Ergebnisse. Zu guter Letzt Jarrod Gott trugen viele eine anregende Diskussion, half bei der Durchführung einer Reihe von Pilotprojekten und stand im Mittelpunkt bei der Gestaltung der Schaum Kopf Klammer.

Diese Forschung wurde James S. McDonnell kollaborative #220020419 unterstützt, die "Rekonstruktion Bewusstsein" George Mashour, Michael Avidan, Max Kelz und David Liley verliehen.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Neuromag TRIUX 306-channel MEG system Elekta Oy, Stockholm, SWEDEN N/A
Polhemus Fastrak 3D system Polhemus, VT, USA N/A
MEG compatible ER-1 insert headphones Etymotic Research Inc., IL, USA N/A
Low Density foam head cap, MEG compatible N/A N/A Custom made by research team
Harness, MEG compatible N/A ~3 m long, ~ 5 cm wide, cloth/jute strip to secure participant position on MEG chair
Ambu Neuroline 720 Single Patient Surface Electrodes Ambu, Copenhagen, Denmark 72015-K10
3.0T TIM Trio MRI system Siemens AB, Erlangen, GERMANY N/A
Asalab amplifier system ANT Neuro, Enschede, NETHERLANDS N/A this system is no longer manufactured and has been deprecated to 64 channel eego EEG amplifier
64-channel Waveguard EEG cap, MEG compatible ANT Neuro, Enschede, NETHERLANDS CA-138 size Medium
Magnetically shielded cordless battery box ANT Neuro, Enschede, NETHERLANDS N/A Magnetic shielding not provided by manufacturer – Modified by research team
OneStep ClearGel Electrode gel H+H Medizinprodukte GbR, Munster, GERMANY 154547
Akzent Xe Color Anesthesia Machine Stephan GmbH, Gackenbach, GERMANY N/A
Omron M6-Comfort Blood Pressure Monitor Omron Healthcare, Kyoto, JAPAN N/A
Xenon gas (99.999% purity) Coregas, Thomastown, VIC, AUSTRALIA N/A we estimate that we use approx 40 L (SATP) per participant
Medical Nitrous Oxide Coregas, Thomastown, VIC, AUSTRALIA N/A x2 G size cylinders
Medical Oxygen Coregas, Thomastown, VIC, AUSTRALIA N/A x2 G size cylinders
Medical Air Coregas, Thomastown, VIC, AUSTRALIA N/A x2 G size cylinders
Filter Respiratory & HMES with Capno Port Hypnobag Medtronic, MN, USA 352/5805
Yankauer High Adult Medtronic, MN, USA 8888-502005
Quadralite EcoMask anaesthetic masks Intersurgical Australia Pty Ltd 7093000/7094000 size 3 and size 4
Suction Canister Disp 1200 mL Medival Guardian Cardinal Health, OH, USA 65651-212
Catheter Mount Ext 4-13 cm with  90A elbow Medtronic, MN, USA 330/5667
Catheter IV Optiva 24g x 19 mm Yellow St Su Smiths Medical, MN, USA 5063-INT
Dexamethasone Mylan Injection Vials (4 mg/1 mL) Alphapharm Pty Ltd, Sydney, AUSTRALIA 400528517
Ondasetron (4 mg/2 mL) Alphapharm Pty Ltd, Sydney, AUSTRALIA 400008857
Medical resuscitation cart The medical resuscitation cart is configured according to the suggested minimal requirements for Adult resuscitation recommended in the document "Standards for Resuscitation: Clinical Practice and Education; June 2014) by the Australian and New Zealand Resuscitation councils and specifically endorsed by multiple professional health care organizations including the Australian and New Zealand College of Anaesthetists.  It includes all the necessary airway and circulatory equipment, as well as the associated pharmacuetical agents to enable full cardio-respiratory resuscitation and support in a non-clinical environment.  Full details can be found at https://resus.org.au/standards-for-resuscitation-clinical-practice-and-education/
Maxfilter Version 2.2 Elekta Oy, Stockholm, SWEDEN N/A Data analysis software provided with Elekta's Neuromag TRIUX MEG system

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Neurowissenschaften Ausgabe 131 Magnetoenzephalographie Elektroenzephalographie Anästhesie Xenon Lachgas
Aufnahme elektromagnetische Aktivität des Gehirns während der Verabreichung von Lachgas bei gesunden Probanden und gasförmiger Anästhetika Xenon
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Pelentritou, A., Kuhlmann, L., Cormack, J., Woods, W., Sleigh, J., Liley, D. Recording Brain Electromagnetic Activity During the Administration of the Gaseous Anesthetic Agents Xenon and Nitrous Oxide in Healthy Volunteers. J. Vis. Exp. (131), e56881, doi:10.3791/56881 (2018).

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