Samtidig magnetoencephalography og Elektroencefalogram gir en nyttig verktøyet søker etter vanlige og tydelig makro skala mekanismer for reduksjoner i bevisstheten av ulike bedøvelse. Denne artikkelen illustrerer de empiriske metodene underliggende innspillingen av data fra friske mennesker under N-Methyl-D-Aspartate-(NMDA)-receptor-antagonist-based anestesi under inhalasjonen lystgass og xenon.
Anestesi gir uten tvil en av bare systematiske måter å studere nevrale korrelerer global bevissthet/bevisstløshet. Men hittil mest neuroimaging eller nevrofysiologiske undersøkelser hos mennesker har vært begrenset til studiet av γ-Amino-Butyric-Acid-(GABA)-receptor-agonist-based bedøvelse, mens effekten av dissosiativ N-Methyl-D-Aspartate-(NMDA)- reseptor-antagonist-baserte anesthetics Ketamin, lystgass (N2O) og xenon (Xe) er hovedsakelig ubekjent. Dette dokumentet beskriver metodene underliggende samtidig opptak av magnetoencephalography (MEG) og Elektroencefalogram (EEG) fra friske menn under innånding av gass anesthetic agenter N2O og Xe. Kombinere MEG og EEG gjør vurdering av elektromagnetisk hjerneaktiviteten under anestesi på høyt timelige og moderat romlig, oppløsning. Her beskriver vi en detaljert protokoll, raffinert over flere innspillingene, som inneholder emnet rekruttering, anestesi utstyr oppsett i MEG skanner rommet, datainnsamling og grunnleggende dataanalyse. I denne protokollen er hver deltaker utsatt for varierende Xe og N2O i gjentatte measures krysset design. Etter relevante planlagte innspillinger deltakere er utsatt til trinnvis øke inspirert konsentrasjoner av Xe og N2O 8, 16, 24 og 42%, 16, 32 og 47% henholdsvis der deres plan flate av responsiveness spores en auditivt kontinuerlig ytelse oppgave (aCPT). Resultatene blir presentert for en rekke innspillinger til å markere sensor-nivå egenskaper for rådata, spectral topografi, minimering av bevegelser av hodet og utvetydig nivå avhengige effekter på auditory vakte svarene. Dette paradigmet beskriver en generell tilnærming til innspillingen av elektromagnetiske signaler forbundet med handlingen av forskjellige typer anestesigasser, som lett kan tilpasses for bruk med flyktige og intravenøs anestesi agenter. Det forventes at metoden skissert kan bidra til forståelsen av makro-skala mekanismer for anestesi ved å aktivere metodologiske utvidelser kildekode space imaging og funksjonelle nettverk analyse.
Det er god konsensus mellom prekliniske og kliniske neuroscientific bevis som tyder på at fenomenet menneskelige bevissthet er avhengig av integriteten til eksplisitt nevrale kretser. Observasjon at slike kretser er systematisk påvirket av nedstigningen til bevisstløshet har begrunnet behovet for neuroimaging teknikker benyttes under anestesi og aktivere “navigering” Søk etter nevrale korrelerer bevissthet. Med mulig unntak av søvn anestesi representerer den eneste metoden som en kan, i en kontrollert, reversibel og reproduserbar mote, forurolige, og dermed analysere, mekanismer som sub tjene bevissthet, spesielt på makroskopisk skala Global hjerne dynamikk. Klinisk narkose kan defineres som en tilstand av hypnose/bevisstløshet, ubevegelighet og analgesi og fortsatt en av de helt brukt og tryggeste medisinske intervensjoner. Til tross for klarhet og effektivitet i sluttresultatet, er det fortsatt stor usikkerhet om virkningsmekanismer av ulike typer av agenter gir opphav til anestesi indusert bevisstløshet1.
Bedøvelse kan deles inn i intravenøs agenter særlig propofol og barbiturater eller flyktige/gass stoffer som desflurane, isoflurane, lystgass (N2O) og xenon (Xe). Farmakologi av anestesi er godt etablert med flere mobilnettet mål som knyttet til anestesi handling. De fleste agenter studerte dato handling hovedsakelig via agonism γ-Amino-Butyric-Acid-(GABA) reseptor-mediert aktivitet. I kontrast, dissosiativ agenter Ketamin, antas Xe og N2O å utøve deres effekter av primært rettet mot N-Methyl-D-Aspartate-(NMDA) glutamatergic reseptorer2,3. Andre viktige farmakologiske mål inkluderer kalium kanaler, acetylcholine reseptorer og rest glutamat reseptorer, AMPA og kainate, men omfanget av deres bidrag til anestesi handling forblir unnvikende (for en omfattende gjennomgang se 4).
Omfanget av variasjon i virkningsmekanismen og observerte fysiologiske og nevrale effekten av ulike typer av agenter gjengir avledning av generelle konklusjoner på deres innflytelse på bevisst behandling vanskelig. Tap av bevissthet (LOC) av GABAergic agenter er vanligvis preget av en global endring i hjerneaktivitet. Dette er tydelig i fremveksten av høy-amplitude, lavfrekvente delta (ses, 0,5-4 Hz) bølger og reduksjon i høy frekvens, gamma (γ, 35-45Hz) aktivitet i EEG (EEG), liknende treg bølge sove5,6 som utbredt reduksjoner i hjerne blod flyte og glukose metabolisme5,6,7,8,9,10,11,12 . Boveroux et al. 13 til slike observasjoner ved å demonstrere en betydelig reduksjon i hvile tilstand funksjonelle tilkobling under propofol anestesi med funksjonell magnetisk resonans imaging (fMRI). Derimot dissosiativ bedøvelse gir en mindre klart profil effekter på hjerneaktivitet. I noen tilfeller er de knyttet til økning i hjerne blod flyte og glukose metabolisme14,15,16,17,18,19, 20,21 mens studier av Rex og kolleger22 og Laitio og kolleger23,24 ser på effekten av Xe gitt bevis for både økt og redusert hjernen aktivitet. En lignende uregelmessig kan sees effekter på EEG signaler25,26,27,28. Johnson et al. 29 viste en økning i total makt lavfrekvente band delta og theta så vel som høyere frekvens bandet gammaen i en kompakt EEG studie av Xe anestesi mens motstridende observasjonene var gjort for N2O i delta, theta og Alpha frekvens band30,31 og Xe i de høyere frekvenser32. Slike variasjoner i effekten av Xe på elektrisk hodebunnen aktiviteten kan observeres i alpha og beta frekvensområder også med begge øker33 og reduksjoner34 rapporteres.
Til tross for avvik nevnt ovenfor, begynner bildet å bli mer konsekvent over agenter når man forsøker å se på endringer i funksjonelle tilkobling mellom hjernen områder. Slike tiltak har imidlertid vært hovedsakelig begrenset til modaliteter som nødvendigvis gjør innrømmelser med hensyn til romlige eller temporal oppløsning. Mens studier med EEG vises å avsløre klar, og til dels konsekvent, endringer i topologisk strukturen av funksjonelle nettverk under anestesi/sedasjon med propofol35, desflurane36 og N2O37, den mye avstand sensordata for EEG har utilstrekkelig romlig oppløsning meningsfullt definere og avgrense hjørnene av tilsvarende funksjonelle nettverk. Derimot finne studier utnytte den overlegne romlig oppløsningen på fMRI og fantes et positron utslipp tomografi (PET), lignende topologisk endringer i store funksjonelle tilkobling som EEG13,38,39 ,40,41, men har ikke nok midlertidig løsning å karakterisere fase-amplitude kobling i alpha (8-13 Hz) EEG bandet og andre dynamiske fenomener som dukker opp som viktige signaturer av anestesi handling12,42. Videre disse tiltakene ikke direkte evaluere elektromagnetisk nevrale aktivitet43.
Derfor for å meningsfull fremme forståelsen av makroskopisk prosessene knyttet av anestesi, må begrensningene til tidligere nevnte undersøkelser tas; begrenset dekning av bedøvende agenter og utilstrekkelig spatio-temporale oppløsningen av ikke-invasiv målinger. På dette grunnlaget, forfatterne skissere en metode for å samtidig spille inn magnetoencephalogram (MEG) og EEG aktivitet i friske frivillige som er utviklet for administrasjon av gass dissosiativ bedøvende agenter, Xe og N2O.
MEG benyttes som det er bare ikke-invasiv nevrofysiologiske teknikken enn EEG som har en midlertidig løsning i millisekund området. EEG har problemet med sløret av elektriske felter av skallen, som fungerer som et low pass-filteret på cortically generert aktivitet, mens MEG er mye mindre følsom for dette problemet og problemet volum ledning44. Det kan hevdes at MEG har høyere romlige og kilde lokalisering nøyaktighet enn EEG 45,46. EEG tillater ikke sant referanse-fri innspilling37,47, men MEG gjør. MEG systemer også vanligvis registrere kortikale aktivitet i et mye større frekvensområde enn EEG, inkludert høy gamma48(vanligvis 70-90 Hz), som har blitt foreslått for å være involvert i hypnotiske effekten av bedøvende agenter inkludert Xe29 og N 2 O28. MEG tilbyr nevrofysiologiske aktivitet som komplimenterer som formidles av EEG, som EEG aktivitet gjelder ekstracellulære elektrisk strøm mens MEG hovedsakelig gjenspeiler det magnetiske feltet generert av intracellulær strøm46, 49. videre MEG er spesielt følsomme for elektrofysiologiske aktivitet tangentiell til cortex, mens EEG hovedsakelig poster ekstracellulære aktivitet radial til cortex49. Dermed kombinere MEG og EEG har super additiv fordeler50.
Gass dissosiativ agenter Xe og N2O er valgt for følgende prinsipp: de er luktfri (Xe) eller egentlig luktfri (N2O), og dermed kan enkelt utnyttes i nærvær av kontroll forhold når ansatt ved sub klinisk konsentrasjoner. I tillegg er de godt egnet for ekstern administrasjon og overvåking i et laboratoriemiljø på grunn av sin svake kardio-respiratorisk depressant effekter61. Xenon og til og med en mindre grad N2O beholde relativt lav minimum-alveolar – konsentrasjon-(MAC)-våken i som 50% av pasientene bli unresponsive til en verbal kommando med verdier av 32,6 ± 6,1%51 og 63.3 + – 7,1%52 henholdsvis. Til tross for Xe og N2O både blir NMDA reseptor antagonister, de modulerer EEG annerledes – Xe synes å oppfører seg mer som en typisk GABAergic agent når overvåket med Bispectral indeks33,53,54 (en av flere tilnærminger brukt electroencephalographically overvåke dybde av anestesi). Derimot gir N2O en mye mindre tydelig electroencephalographic i at det er dårlig, hvis, overvåkes ved hjelp av Bispectral indeks26. Fordi Xe har ulike rapporterte electroencephalographic egenskaper til andre dissosiativ agenter, men har lignende egenskaper til mer vanlig studert GABAergic agenter, har elektrofysiologiske studien potensial til å avsløre viktig funksjoner knyttet til nevrale korrelerer bevissthet og tilsvarende funksjonelle nettverksendringer. Agenter som fungerer på NMDA reseptor er sannsynlig å avsløre mer om hjernen nettverkene subserve normal og endrede bevissthet, gitt den kritiske rollen som NMDA reseptor-mediert aktivitet spiller i læring og hukommelse og dens involvert rolle i en rekke psykiske lidelser med schizofreni og depresjon80.
Denne artikkelen fokuserer primært på den krevende og komplekst datainnsamling prosedyren tilknyttet leveringen av gass anesthetic agenter i et ikke-sykehusmiljø mens den samtidig tar MEG og EEG. Eksempeldataene tilbys illustrerer at Hi-Fi opptak kan fås med minimal head bevegelse og grunnleggende dataanalyse på sensoren nivå markeres. Mange potensielle metodene for påfølgende kilde tenkelig og/eller funksjonelle tilkobling analyse som skulle utføres vanligvis bruke denne type data er ikke beskrevet, som disse metodene er også beskrevet i litteraturen og viser ulike alternativer for analyse55,56.
Dette papiret har skissert en omfattende protokoll for samtidig opptak av MEG og EEG under anestesi gassen med N2O og Xe. Slike en protokoll vil være verdifulle for å studere elektromagnetisk nevrale korrelerer bedøvelse-indusert reduksjon i bevisstheten. Protokollen forventes også å generalisere å levere andre bedøvende gasser som desflurane eller isoflurane. Dette vil lette større forståelse av felles, bestemt og tydelig makroskopisk mekanismer underlie bedøvelse-indusert reduksjon i bevisstheten f…
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne vil takke Mahla Cameron Bradley, Rachel Anne Batty og Johanna Stephens for verdifulle kundestøtte for MEG datainnsamling. Takk er i tillegg utvidet til Dr. Steven Mcguigan for støtte som en andre Anestesilege. Paige Pappas gitt uvurderlig bedøvende sykepleier forglemmelse. Markus Stone bød allernådigst sin tid og ekspertise innen og filming protokollen. Dr. Suresh Muthukumaraswamy ga spesifikke råd om dataanalyse og tolkning av resultatene. Endelig Jarrod Gott bidratt mange en stimulerende diskusjon, hjalp i gjennomføringen av en rekke piloten eksperimenter og sentralt i utformingen av skum hode seler.
Denne forskningen ble støttet av James S. McDonnell samarbeidende stipend #220020419 “Rekonstruere bevissthet” tildelt George Mashour, Michael Avidan, Max Kelz og David Liley.
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 |