JoVE Journal > Neuroscience
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Neuroscience

Optagelse elektromagnetisk hjerneaktivitet under Administration af gasformige bedøvelsesmiddel agenter Xenon og nitrøse oxid i raske frivillige

Published: January 13, 2018
doi:
10.3791/56881
, , , , ,
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

Samtidige magnetoencephalography og electroencefalografi giver et nyttigt værktøj til at søge efter fælles og forskellige makro-skala mekanismer til reduktioner i bevidsthed induceret af forskellige anæstetika. Dette dokument illustrerer de empiriske metoder underliggende optagelse af sådanne data fra raske mennesker under N-Methyl-D-Aspartate-(NMDA)-receptor-antagonist-based anæstesi under indånding af lattergas og xenon.

Abstract

Anæstesi velsagtens giver en af de kun systematiske måder at studere de neurale korrelerer af global bevidsthed/bevidstløshed. Men til dato de fleste neuroimaging eller neurofysiologiske undersøgelser hos mennesker har været begrænset til undersøgelse af γ-Amino-Butyric-Acid-(GABA)-receptor-agonist-based anæstetika, mens virkningerne af dissociative N-Methyl-D-Aspartate-(NMDA)- receptor-antagonist-baserede anæstetika ketamin, lattergas (N2O) og xenon (Xe) er stort set ukendt. I dette dokument beskrives de metoder, der ligger til grund for den samtidige optagelse magnetoencephalography (MEG) og electroencefalografi (EEG) fra sunde mænd under indånding af gasformige bedøvelsesmiddel agenter N2O og Xe. Kombinere MEG og EEG data muliggør vurdering af elektromagnetisk hjerneaktivitet under anæstesi ved høj timelige, og moderat fysisk, opløsning. Her beskriver vi en detaljeret protokol, raffineret over flere indspilninger, der indeholder emnet rekruttering, anæstesi udstyr setup i MEG skanner værelse, dataindsamling og analyse af grundlæggende data. I denne protokol er hver deltager udsat for forskellige niveauer af Xe og N2O i gentagne foranstaltninger cross-over design. Efter relevante baseline optagelser deltagere er udsat til trinvis stigende inspireret koncentrationer af Xe og N2O af 8, 16, 24 og 42%, og 16, 32 og 47% henholdsvis, hvori deres niveau af lydhørhed er sporet med en auditiv løbende ydelse opgave (aCPT). Resultaterne bliver præsenteret for en række optagelser til at fremhæve egenskaberne sensor-niveau af de rå data, spektrale topografi, minimering af hovedbevægelser og utvetydige niveau afhænger af virkningerne på de auditive evoked svar. Dette paradigme beskriver en generel tilgang til registrering af elektromagnetiske signaler tilknyttet aktion af forskellige former for gasformige anæstetika, som let kan tilpasses til brug med flygtige og intravenøs bedøvelsesmiddel agenter. Det forventes, at metoden beskrevet kan bidrage til forståelsen af makro-skala mekanismerne af anæstesi ved at aktivere metodologiske extensions der involverer kilde plads imaging og funktionelle netværksanalyse.

Introduction

Der er god enighed mellem prækliniske og kliniske neurovidenskabelige beviser tyder på, at fænomenet med menneskets bevidsthed afhænger af integriteten af eksplicitte neurale kredsløb. Den iagttagelse, at sådanne kredsløb systematisk er påvirket af nedstigningen til bevidstløshed har dokumenteret behovet for neuroimaging teknikker til at blive udnyttet under anæstesi og aktiverer ‘navigation’ søgning efter de neurale korrelerer af bevidsthed. Med undtagelse af søvn, anæstesi repræsenterer den eneste metode, hvormed man kan, i en kontrolleret, reversible og reproducerbare mode, forurolige og dermed dissekere de mekanismer, som sub tjene bevidsthed, især på makroskopisk skala af Global hjerne dynamics. Klinisk, generel anæstesi kan defineres som en tilstand af hypnose/bevidstløshed, immobilitet og analgesi og fortsat er en af mest talrigt anvendte og sikreste medicinsk indgreb. Trods den klarhed og effektivitet i det endelige resultat, er der stadig stor usikkerhed om virkningsmekanisme af de forskellige typer af agenter giver anledning til bedøvelsesmiddel induceret bevidstløshed1.

Narkose kan opdeles i intravenøs agenter navnlig propofol og barbiturater eller de flygtige/gasformige stoffer såsom Sevofluran, isofluran, lattergas (N2O) og xenon (Xe). Farmakologi af anæstesi har været veletableret med flere cellulære mål identificeret som forbundet med bedøvende handling. De fleste agenter studerede til dato act hovedsagelig via agonisme γ-Amino-Butyric-Acid-(GABA) receptor medieret aktivitet. I kontrast, dissociative agenter ketamin, menes Xe og N2O at udøve deres virkninger af primært rettet mod N-Methyl-D-Aspartate-(NMDA) glutamatergic receptorer2,3. Andre vigtige farmakologiske mål omfatter kalium kanaler, acetylcholin receptorer og rest glutamat receptorer, AMPA og kainate, men omfanget af deres bidrag til bedøvende handling er stadig undvigende (for en omfattende gennemgang Se 4).

Omfanget af variation i virkningsmekanismen og de observerede fysiologiske og neurale virkninger af de forskellige typer af agenter gengiver afledning af generelle konklusioner om deres indflydelse på bevidst forarbejdning vanskeligt. Tab af bevidsthed (LOC) induceret af GABAergic agenter er typisk karakteriseret ved en global ændring i hjerneaktivitet. Dette er tydeligt i fremkomsten af høj-amplitude, lavfrekvente delta (δ, 0,5-4 Hz) bølger og reduktion i høj frekvens, gamma (γ, 35-45Hz) aktivitet i elektroencefalografi (EEG), svarende til langsom bølge sove5,6 samt de udbredte reduktioner i cerebral blood flow og glukose metabolismen5,6,7,8,9,10,,11,12 . Boveroux mfl. 13 tilføjet til sådanne bemærkninger ved at demonstrere en betydelig nedgang i hvilende tilstand funktionelle forbindelse under propofol anæstesi ved hjælp af funktionel magnetisk resonans imaging (fMRI). Derimod dissociative anæstetika give en mindre klar profil af effekter på hjerneaktivitet. I nogle tilfælde er de forbundet med stigninger i cerebral blood flow og glukose metabolismen14,15,16,17,18,19, 20,21 mens undersøgelser af Rex og kolleger22 og Laitio og kolleger23,24 ser på virkningerne af Xe leveres beviser for både større og mindre hjerne aktivitet. En lignende uregelmæssighed kan ses i virkningerne på EEG-signaler25,26,27,28. Johnson mfl. 29 viste en stigning i total magt af lavfrekvent bands delta og theta såvel som i den højere frekvens band gamma i en høj densitet EEG undersøgelse af Xe anæstesi mens modstridende observationer blev gjort for N2O i delta, theta og Alpha frekvens båndene30,31 og for Xe i de højere frekvenser32. Sådanne variabilitet i virkningerne af Xe på elektriske hovedbunden aktivitet kan observeres i alfa og beta frekvensområder også med både øger33 og reduktioner34 rapporteres.

Trods de forskelle, der er nævnt ovenfor, begynder billedet at blive mere konsekvent på tværs af agenter, når man forsøger at se på ændringer i funktionelle forbindelse mellem områder i hjernen. Sådanne foranstaltninger har dog været overvejende begrænset til modaliteter, der nødvendigvis gøre indrømmelser for enten rumlige eller tidsmæssige opløsning. Mens undersøgelser ved hjælp af EEG synes at afsløre klare, og til dels konsekvent, ændringer i den topologisk struktur af funktionelle netværk under anæstesi/sedation med propofol35, Sevofluran36 og N2O37, den bredt fordelte sensor niveau EEG data har utilstrækkelig rumlige opløsning meningsfuldt definere og afgrænse vertices i de tilsvarende funktionelle netværk. Omvendt finde undersøgelser udnytte de overlegne rumlige opløsning af fMRI og positron emission tomografi (PET), lignende topologiske forandringer i stor skala funktionelle tilslutningsmuligheder som EEG13,38,39 ,40,41, men besidder utilstrækkelig tidsmæssige opløsning til at karakterisere fase-amplitude kobling i alpha (8-13 Hz) EEG bandet og andre dynamiske fænomener, der er ved at opstå som vigtige underskrifter af bedøvende handling12,42. Desuden, disse foranstaltninger ikke direkte vurdere elektromagnetiske neurale aktivitet43.

Derfor, for at meningsfuldt fremme forståelsen af de makroskopiske processer forbundet med handlingen af anæstetika, begrænsninger af de tidligere nævnte undersøgelser skal løses; begrænset dækning af bedøvelsesmiddel agenter og den utilstrækkelige spatio-temporal opløsning af ikke-invasive målinger. På dette grundlag, forfatterne skitsere en metode til samtidig registrere magnetoencephalogram (MEG) og EEG aktivitet i raske frivillige, der er blevet udviklet for administrationen af de gasformige dissociative bedøvelsesmiddel agenter, Xe og N2O.

MEG udnyttes som det er den kun non-invasiv neurofysiologiske teknik end EEG, der har en tidsmæssig opløsning i rækken millisekund. EEG har problemet med sløring af elektriske felter af kraniet, der fungerer som et low-pass filter på cortically genereret aktivitet, mens MEG er langt mindre følsomme over for dette problem og spørgsmålet om volumen overledning44. Det kan hævdes, at MEG har højere rumlige og kilde lokalisering nøjagtighed end EEG 45,46. EEG tillader ikke sandt reference-gratis optagelse37,47, men MEG gør. MEG systemer optage også typisk kortikale aktivitet i en meget større frekvensområde end EEG, herunder høj gamma48(typisk 70-90 Hz), som er blevet foreslået for at være involveret i de hypnotiske virkningerne af bedøvelsesmiddel agenter herunder Xe29 og N 2 O28. MEG tilbyder neurofysiologiske aktivitet, der komplimenterer der formidles af EEG, som EEG aktivitet vedrører ekstracellulære elektriske strømme, hvorimod MEG afspejler hovedsagelig de magnetiske felter genereret af intracellulære strømninger46, 49. Desuden MEG er særligt følsomme over for elektrofysiologiske aktivitet tangerer cortex, mens EEG det meste optegnelser ekstracellulære aktivitet radial-cortex49. Dermed kombinere MEG og EEG data har super-additiv fordele50.

Den gasformige dissociative agenter Xe og N2O er blevet valgt af følgende princip grunde: de er lugtfri (Xe) eller hovedsagelig lugtfri (N2O) og dermed nemt kan udnyttes i overværelse af kontrol betingelser når ansat på subklinisk koncentrationer. Derudover er de velegnede til fjernadministration og overvågning i et laboratoriemiøj på grund af deres svage hjerte-respiratorisk hæmmende effekter61. Xenon og til en mindre grad N2O, bevarer en forholdsvis lav minimum-alveolære – koncentration-(MAC)-vågen på hvor 50% af patienterne blive unresponsive på en verbal kommando med værdier af 32,6 ± 6,1%51 og 63,3 + – 7,1%52 henholdsvis. Trods Xe og N2O både at være NMDA-antagonister, de modulere EEG forskelligt – Xe vises opfører sig mere som en typisk GABAergic agent når overvåges ved hjælp af Bispectral indeks33,53,54 (en af flere metoder, der anvendes til electroencephalographically overvåge dybde af anæstesi). Derimod producerer N2O en langt mindre tilsyneladende electroencephalographic effekt i, at det er dårligt, hvis overhovedet, overvåges ved hjælp af Bispectral indeks26. Fordi Xe har forskellige rapporterede electroencephalographic egenskaber til de andre dissociative agenter, men har lignende egenskaber til de mere almindeligt studerede GABAergic agenter, har dets elektrofysiologiske undersøgelse potentiale til at afsløre vigtige funktioner vedrørende de neurale korrelerer bevidsthed og de tilsvarende netværksændringer af funktionelle. Agenter, der handler på NMDA-receptor er tilbøjelige til at afsløre mere om hjernens netværk, at subserve normale og ændret bevidsthed, givet den kritiske rolle, som NMDA-receptor medieret aktivitet spiller i indlæring og hukommelse og dets implicerede rolle i en række psykiatriske lidelser, der omfatter skizofreni og depression80.

Dette papir fokuserer primært på den krævende og komplekse dataindsamlingsprocedure forbundet med levering af gasformige bedøvelsesmiddel agenter i en ikke-hospitalsmiljø mens samtidig optagelse MEG og EEG. Grundlæggende dataanalyse på sensoren niveau er skitseret og eksempeldata leveres illustrerer, at high-fidelity optagelser kan opnås med minimal hoved bevægelse. De mange potentielle metoder til efterfølgende kilde billedbehandling og/eller funktionelle connectivity analyse, der typisk ville udføres ved hjælp af denne slags data er ikke beskrevet, som disse metoder er godt beskrevet i litteraturen og vise forskellige muligheder for analyse55,56.

Protocol

Undersøgelsen med titlen “Virkning af inhalerede Xe og N2O på hjerneaktivitet registreres ved hjælp af EEG og MEG” blev godkendt (godkendelsesnummer: 260/12) af Alfred Hospital og Swinburne University of Technology etiske komité og opfyldt kravene i nationale Redegørelse om etisk adfærd i Human forskning (2007). 1. deltager udvælgelse og forundersøgelse krav Gennemføre et interview for at vælge sundt, højrehåndet, voksne mænd i alderen mellem 20 og 40 år gaml…

Representative Results

I dette afsnit benytter data indhentet fra et emne for at påvise de typiske træk ved de samtidige optagelser og potentialet i sådanne oplysninger at bidrage en bedre forståelse af anæstesi induceret ændrede bevidsthedstilstande. For at forenkle redegørelsen, resultaterne vises for i) optagelser af anti-brækmiddel administration Oprindelig plan (Oprindelig 3), ii) 0,75 equi-MAC-vågen peak gas koncentrationer (niveau 3) af N2O (47%) og Xe (24%) og iii) Xe peak koncentrat…

Discussion

Dette papir har skitseret en omfattende protokol for den samtidige optagelse af MEG og EEG under narkose gas levering med N2O og Xe. Sådan en protokol vil være værdifuld for at studere de elektromagnetiske neurale korrelerer med narkose-induceret reduktioner i bevidsthed. Protokollen forventes også at generalisere til levering af andre bedøvende gasser som Sevofluran eller isofluran. Dette vil lette en større forståelse for de fælles, specifikke og særskilte makroskopisk mekanismer, der ligger bag an?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Forfatterne vil gerne takke Mahla Cameron Bradley, Rachel Anne Batty og Johanna Stephens for værdifulde tekniske bistand med MEG dataindsamling. Tak er desuden udvidet til Dr. Steven Mcguigan for støtte som en anden anæstesilæge. Paige Pappas givet uvurderlig bedøvelsesmiddel sygeplejerske tilsyn. Markus Stone tilbudt allernådigst sin tid og ekspertise i redigering og filme i protokollen. Dr. Suresh Muthukumaraswamy gav specifikke råd med hensyn til dataanalyse og fortolkning af resultaterne. Endelig Jarrod Gott bidrog mange en stimulerende debat, hjalp i udførelsen af en række pilotforsøg og var et centralt i design af skum hoved skinnen.

Denne forskning blev støttet af en James S. McDonnell collaborative grant #220020419 “Rekonstruere bevidsthed” tildelt til George Mashour, Michael Avidan, Max Kelz og David Liley.

Materials

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Hudetz, A., Hudetz, A., Pearce, R. . Suppressing the Mind. , 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), 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. , (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. . , 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., 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. , 0 (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).

Tags

AIEEGXenonNitrous OxideAnesthesiaBrain ActivityHealthy VolunteersRepeated MeasuresCrossover DesignMagnetically Shielded RoomEEG AmplifierFiber Optic CouplingVideo MonitoringParticipant EligibilityHigh-Density EEG CapHead Position Indicator CoilsBiopotential ElectrodesElectrooculogram

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image