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在健康志愿者的气体麻醉剂氙和一氧化二氮的管理中记录大脑电磁活动

Neuroscience

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Summary

同时图和脑电图提供了一个有用的工具, 以寻找共同和独特的宏观规模的机制, 减少意识的不同麻醉剂诱导。本文阐述了在吸入一氧化二氮和氙时, 从健康人的 n-甲基-d-天门冬氨酸 (NMDA) 受体 antagonist-based 麻醉中记录这些数据的经验方法。

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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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Abstract

麻醉可以说是研究全球意识/无意识的神经系统相关性的唯一系统方法之一。然而到目前为止, 大多数神经影像或神经的研究都局限在人类的γ-氨基丁酸 (GABA)-受体-agonist-based 麻醉剂, 而游离 n-甲基-d-天门冬氨酸 (NMDA) 的影响,受体 antagonist-based 麻醉剂氯胺酮, 一氧化二氮 (N2O) 和氙 (氙气) 大多是未知的。本文介绍了从健康男性吸入气体麻醉剂 N2O 和氙的同时记录图 (MEG) 和脑电图 (eeg) 的方法。结合 MEG 和脑电图数据, 可以评估在高时、中度的麻醉过程中的电磁脑活动。在这里, 我们描述了一个详细的协议, 在多个录音会议, 包括学科招聘, 麻醉设备设置在 MEG 扫描仪室, 数据收集和基本数据分析。在本协议中, 每个参与者在重复的测量交叉设计中暴露于不同级别的氙和 N2O。在相关的基线记录之后, 参与者将会接触到逐步增加的氙和 N2O 的8、16、24和 42%, 以及16、32和47% 分别, 在这期间, 它们的响应程度是通过听觉连续性能任务 (aCPT)。给出了许多记录的结果, 以强调原始数据的传感器级特性、频谱形貌、头部运动的最小化以及对听觉诱发反应的明确水平依赖性效应。这一范式描述了一个一般的方法来记录的电磁信号与行动的不同类型的气体麻醉剂, 这可以很容易地适应用于挥发性和静脉麻醉剂。预计该方法可以帮助理解的宏观规模的机制, 麻醉通过启用方法扩展涉及源空间成像和功能网络分析。

Introduction

临床前神经证据表明, 人的意识现象依赖于显式神经回路的完整性。这种电路被系统的下降到无意识的影响的观察证实了需要在麻醉过程中使用的神经影像技术, 并使 ' 导航 ' 搜索的神经系统相关性意识.除了睡眠, 麻醉是唯一的方法, 通过它可以控制, 可逆和重现的时尚, 扰乱, 从而解剖, sub-serve 意识的机制, 特别是在宏观尺度全球脑动力学。临床上, 全身麻醉可以定义为催眠/无意识, 静止和镇痛的状态, 仍然是最广泛使用和最安全的医疗干预之一。尽管最终结果的清晰度和效率, 仍然有很大的不确定性有关的作用机制的各种类型的药物引起麻醉性昏迷1

麻醉剂可以分为静脉注射剂, 特别是异丙酚和巴比妥酸盐, 或挥发性/气态剂, 如七氟醚, 氟烷, 一氧化二氮 (N2O) 和氙 (氙气)。麻醉药理学已经很好地建立了多个细胞靶点确定与麻醉作用。大多数研究对象的行为主要通过 agonism γ-氨基丁酸 (GABA) 受体介导的活动。相反, 氯胺酮, 氙和 n2O 被认为是发挥其作用的主要目标是 n-甲基-d-天门冬氨酸 (NMDA) 谷氨酸受体2,3。其他重要的药理靶点包括钾通道、乙酰胆碱受体和残留的谷氨酸受体、AMPA 和酸, 但是它们对麻醉作用的贡献程度仍然难以捉摸 (全面审查见4)。

在作用机制的变化程度和观察到的生理和神经效应的不同类型的代理人呈现得出的一般结论对其影响有意识加工困难。gaba 剂引起的意识丧失通常以大脑活动的全球变化为特征。这是明显的在高, 低频三角洲 (δ, 0.5-4 Hz) 波浪和减少在高频率, 伽玛 (γ, 35-45Hz) 活动在脑电图 (EEG), 类似慢波睡眠5,6以及流和葡萄糖代谢的广泛减少5,67891011.Boveroux et al13通过功能性磁共振成像 (fMRI) 显示异丙酚麻醉下的静止状态功能连通性显著下降, 从而增加了这种观察。相比之下, 游离麻醉药对大脑活动的影响却不那么清晰。在某些情况下, 它们与脑血流量和葡萄糖代谢的增加有关14,15,16,1718,19, 20,21当研究由 Rex 和同事22和 Laitio 和同事23,24查看氙气的效果提供了增加和减少大脑的证据活动.类似的不规则性在 EEG 信号的影响上可以看到25,26,27,28。约翰逊et al29显示了低频带三角洲和θ的总功率的增加, 以及在高密度 EEG 中进行氙麻醉的高频段伽玛的研究, 而在三角洲、θ和alpha 频带30,31和更高频率的氙气32。氙对电头皮活动的影响的这种可变性在α和 beta 频率范围可以被观察, 同时增加33和减少34被报告。

尽管存在上述的差异, 当人们试图查看大脑区域之间功能连通性的变化时, 这幅图开始变得更加一致。然而, 这种措施主要限于在空间或时间分辨率方面必须作出让步的方式。虽然使用 EEG 的研究显示出清晰, 并在一定程度上一致, 在麻醉/镇静期间功能网络的拓扑结构的变化与异丙酚35, 七氟醚,36和 N2O37,广泛间隔的传感器电平 EEG 数据没有足够的空间分辨率来有意义地定义和描绘相应的功能网络的顶点。相反, 研究利用功能磁共振成像和正电子发射断层扫描 (PET) 的优越空间分辨率, 发现类似的拓扑改变在 large-scale 函数连接到 EEG13,38,39 4041, 但没有足够的时间分辨率来表征α (8-13 Hz) EEG 带中的相振幅耦合和其他正在出现的重要特征的动态现象麻醉动作12,42。此外, 这些措施并没有直接评估电磁神经活动43

因此, 为了有意义地推进对与麻醉药作用相关的宏观过程的理解, 必须解决以前提到的调查的局限性;麻醉剂的限制性覆盖范围和非侵入性测量的时空分辨率不足。在此基础上, 作者概述了同时记录脑 (MEG) 和脑电图活动的健康志愿者的方法, 已开发为管理气体游离麻醉剂, 氙和 N2O。

MEG 被利用, 因为它是唯一的非侵入性的神经技术, 除了 EEG, 在毫秒范围内有一个时间分辨率。EEG 的问题是模糊的电磁场的头骨, 这是一个低通过滤器的外皮生成的活动, 而 MEG 是不太敏感的这个问题和问题的音量传导44。可以认为, MEG 具有更高的空间和源定位精度比脑电图45,46。EEG 不允许真正的无参考记录37,47, 但 MEG 确实如此。MEG 系统也通常记录的皮层活动比脑电图更广泛的频率范围, 包括高伽玛48(通常是 70-90 Hz), 这已经被建议参与麻醉剂的催眠作用, 包括氙29和 N2O28。meg 提供神经的活动, 由 eeg 转达的恭维, 因为 eeg 活动涉及细胞外电流, 而 meg 主要反映的磁场产生的细胞内流46,49. 此外, MEG 是特别敏感的电生理活动切向皮层, 而 EEG 主要记录细胞外活动径向到皮层49。因此, 结合 MEG 和 EEG 数据具有 super-additive 优势50

气体分离剂氙和 N2o 已选择的原因如下: 它们是无嗅的 (氙) 或基本上无嗅 (N2o), 因此可以很容易地利用在控制条件的存在, 当受聘于亚浓度。此外, 它们很适合在实验室环境中进行远程管理和监测, 因为它们的心肺-呼吸抑制剂效果不佳61。氙和较小程度的 N2O, 保留相对较低的最小肺泡浓度-(MAC)-清醒, 其中50% 的病人变得没有反应的口头命令的值为32.6 ± 6.1%51和 63.3 +-7.1%52分别。尽管氙和 N2O 都是 NMDA 受体拮抗剂, 他们不同地调制 EEG-氙似乎表现得更像一个典型的 gaba 剂时, 使用双频谱指数33,53,54(用于 electroencephalographically 监测麻醉深度的几种方法之一)。相比之下, N2O 产生的脑电图效果要低得多, 因为如果使用双频索引26, 则它的监视很差。由于氙有不同的报告脑电图性质的其他游离剂, 但具有相似的特点, 以更普遍研究的 gaba 剂, 其电生理研究有潜力揭示重要与意识的神经相关和相应的功能网络变化有关的特点。由于 nmda 受体介导的活动在学习和记忆中所起的关键作用, 以及它在一系列领域中的牵连作用, 在 nmda 受体上作用的药物可能会更多地揭示依附正常和改变意识的脑网络。精神疾病, 包括精神分裂症和抑郁症80

本文主要研究了在医院环境下, 同时记录 MEG 和脑电图的气体麻醉剂的要求和复杂的数据收集过程。基本数据分析在传感器水平概述和示例数据提供说明, 高保真录音可以获得最低的头部移动。对于随后的源成像和/或功能连接分析, 通常使用此类数据执行的许多潜在方法都没有描述, 因为这些方法在文献中得到了很好的描述, 并演示了各种选项分析55,56

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Protocol

题为 "吸入氙和 N2O 对使用脑电图和 MEG 记录的脑活动的影响" 的研究获得批准 (批准号码: 260/12) 由阿尔弗雷德医院和史文朋科技大学伦理委员会和符合国家的要求关于人类研究中的道德操守的声明 (2007)。

1. 参加者的选择和前期学习要求

  1. 进行一次采访, 选择健康, 右手, 成年男性之间的年龄在20和40岁。
    1. 通过获得参与者的体质指数 (BMI) 和缺乏对 MRI 或 MEG (如植入金属异物) 的禁忌症, 以及收集包括以往任何手术在内的详细病史, 确认良好的总体健康状况,重要的是, 对全身麻醉的不良反应, 这将导致排除在研究。
    2. 明确地排除任何最近摄入的精神活性药物或其他处方药, 以及确保没有任何娱乐吸毒和缺乏任何神经紊乱, 癫痫, 心脏疾病, 睡眠呼吸暂停, 晕车和幽闭.因为这将是随后重要的获得一个良好的印章与麻醉面罩排除的参与者谁有大胡子, 除非他们愿意刮胡子。
      注意: 排除女性由于月经的记录的作用57并且/或者年龄极端在休息的 MEG 或 EEG 信号并且增加的倾向恶心并且呕吐58
  2. 按照澳大利亚和新西兰麻醉学院 (ANZCA) 指导方针 (文件 PS15) 的规定, 按日停留全麻程序进行指定。
    1. 根据这些指导原则, 要求受试者在实验开始前至少2小时禁食至少6小时, 不消耗任何液体。在测试发生前一天, 让麻醉师与参与者联系, 以确认依从性。
    2. 实验完成后, 让受试者在实验后24小时内不操作任何重型机械或做出重要决定 (由于残留低水平的可能性), 接受标准的后麻醉护理监测。从氙和 N2O) 的认知损伤。

2. 设施和设备

注: 本设施符合 ANZCA 要求, 用于在正常手术操作套件外进行麻醉 (http://www.anzca.edu.au/resources/professional-documents。文档 PS55)。具体而言, 该房间符合电气安全和气体医疗管理的工程规定。

  1. 在史文朋先进技术中心的脑成像实验室进行实验, 即包含磁屏蔽室 (MSR) 的 meg 室, 它容纳了 meg 扫描仪。屏蔽室坐落在漂浮的地板上, 与诸如过往列车等环境运动隔绝。
  2. 提供麻醉气体使用的麻醉机, 位于 MSR 外, 能够交付和监测气体氙。该麻醉机是专门设计用于管理闭环低流量氙气体和测量结束潮汐氙浓度使用 katharometry (导热系数; ±1% 精度), 除了提供 standard-of-care 患者监测。这包括结束潮汐 o2, CO2, N2o 测量 (适当的地方), 脉冲氧, 3 导联心电图和非侵入性血压测量 (血压) 根据 ANZCA 指南文件 PS18。使用在麻醉机中实现的红外光谱测量最终潮汐 N2O 浓度。
    1. 管道的气体, 以使用延长22毫米口径呼吸软管通过星享俱乐部导管。
  3. 根据 ANZCA 指导文件 PS18 提供 standard-of-care 患者监测。这包括结束潮汐 o2, CO2, N2o 测量 (适当的地方), 脉冲氧, 3 导联心电图和无创血压测量 (血压)。
    1. 根据 ANZCA 指南文件 PS18 监测血压, 使用位于 MSR 外的非侵入式血压监测器, 并由长的充气管连接到上臂上的袖口。
    2. 在整个实验中, 除了每年三十年代的所有参数的自动记录外, 还记录所有生理参数, 每隔1分钟。
  4. 确保将气体输送到使用延长22毫米口径呼吸软管通过星享俱乐部导管的参与者。一个吸入系统位于 MSR 和一个长的传递管, 连接到一个 Yankauer 吸棒是通过一个管道, 被放置在靠近病人和临床观察者。
    1. 此外, 确保呕吐盆地位于附近的 MSR, 使其迅速定位的观察员在发生呕吐。在星享俱乐部内的临床观察者将需要保持对任何气道阻塞的警惕, 最初的反应是下巴抬起或下巴推力, 如果迫近的呕吐信号过度吞咽或呕或呼吸道, 立即停止该协议。下巴的生命或下巴的推力并不能解决障碍物。
  5. 记录脑电图使用 MEG 兼容的64通道 Ag/氯化电极帽连接到一个电池供电放大器内的 MSR。该放大器通过光纤电缆和合适的介质转换器连接到运行兼容采集软件的便携式计算机。
  6. 记录大脑磁场活动 (meg) 的采样率为1000年赫兹使用的 MEG 系统, 有全脑覆盖, 并有明确的阵列传感器, 其中可能包括计和轴向/平面梯度;本研究利用由102计和204平面梯度组成的系统。为了避免与协议或 MEG 系统配置不直接相关的复杂性, 仅报告计的数据, 尽管磁力仪和梯度数据都是作为协议的一部分获得的。
  7. 连续使用5头位置指示器 (HPI) 线圈跟踪头部位置。在 MEG 扫描使用适当的数字化设备之前, 将磁头线圈、脑电图电极和基准标记 (nasion 和左耳点) 的位置数字化。
    1. 由于目标是获得源空间的结果, 因此禁用了 MEG 系统用于三维噪声对消的任何内部主动屏蔽系统, 以使处理管道在信号空间的使用方面具有灵活性通常采用的分离 (病态) 方法。
    2. 使用 MRI 扫描仪获得相应的 T1-weighted 结构脑部扫描, 为以后 co-registration 与 M/脑电图记录。

3. 研究设计和协议

注意: two-way 交叉实验协议被遵循。为每个主题分别执行两个单独的测试会话, 间隔时间最多为四周。该研究的一个分支由氙管理组成, 而在第二个臂中给出了 N2O。参加者对被管理的气体类型视而不见, 而医务人员和研究人员并不是因为他们的管理过程中所遵循的细微差别。

  1. 在获得知情同意后, 通过广泛的病史访谈和重要标志测量, 包括血压、心率、体温和峰值呼气流, 确认参加者的资格。参加者资格确认后, 该主题在 MEG 进行了简短的测量, 以确保没有意料之外的噪音来源。
  2. 将脑电波帽放在主体头部, 凝胶所有电极。附加 5 HPI 线圈的上限, 以连续记录的头部位置在 MEG。
    1. 数字化的脑电图通道, HPI 线圈位置和额外的点上的主题的鼻子和存储所有的位置使用梅格的配套软件包。
    2. 将主体移动到 MSR, 如果需要, 将电极帽连接到 EEG 放大器和 re-gel 电极, 以确保其电接触阻抗低于5ω。
  3. 除了 MEG 和脑电图之外, 还可以制作三个双极性的生物频道录音。
    1. 由于麻醉剂管理与肌肉张力的变化有关, 记录肌电图 (肌电信号) 使用一对一次性的 Ag/氯化电极放置 submentally 记录下颌和腹肌 (前腹) 肌肉的活动。
    2. 记录电 oculogram (EOG), 将一对电极贴在一只眼睛上方, 靠近眉部, 并靠近相应的外眼角, 并使用每个手腕和肘部地面上的电极进行三导联心电图 (ECG) 录音 (见图 1)。
  4. 在实验的所有记录阶段, 请参与者保持闭眼。
  5. 与麻醉师、麻醉护士或其他经过适当训练的临床观察者进行临床管理。让护士/观察员坐在星享俱乐部的主题, 以不断监测参与者的情况 (特别是面罩密封和主题的气道) 和麻醉师, 位于控制室管理气体输送和电子监测.
  6. 收集数据在一个小组三: 一个成员监测和控制收购的 MEG 信号, 另一个监测和控制的采集脑电图和另一个启动和停止计算机化的听觉连续性能任务, 而监测受试者的反应, 协调所有实验时间和记录分钟血压, 以及由麻醉师提供的最终潮汐气体浓度和气体流速。
  7. 通过一个合适的摄像头, 持续地通过视觉监控星享俱乐部的参与者, 同时也记录了实验的所有阶段以供随后的评估和评审。
  8. 行为使用听觉连续性能任务 (aCPT) 测量整个实验中的响应水平。使用 MEG 兼容耳机提供1或3赫频率固定立体声振幅 (约 76 dBA) 的双耳听觉音调, 其 inter-stimulus 间隔介于2至4秒之间, 从均匀分布中抽出。
    1. 请参与者使用两个单独的按钮框来快速响应。使用每个方框上的左、右按钮分别对应于低频率或高频音, 以及分别用于左、右按钮框, 以便参与者表示缺勤或出现恶心。
  9. 在整个实验中密切监视响应。响应的反应时间延迟和准确度 (正确分类的音调百分比) 会自动记录, 并在 MSR 外的显示器上显示, 以便研究人员获得参与者行为的实时指示。国家.
    1. 按照多个顺序正确的按钮框响应 (表示恶心), 提醒在 MSR 和管理麻醉的观察者, 气体管理可能需要突然终止, 以避免呕吐。
  10. 记录眼睛关闭休息脑电图和 meg 5 分钟, 其次是5分钟闭基线脑电图/meg 记录的主题执行 aCPT 任务。
  11. 从 MSR 中取出这个主题, 并允许麻醉师在左 antecubital 窝放置一个20口径的静脉导管。反催吐剂管理, 发生缓慢的 1-2 分钟, 包括4毫克地塞米松和4毫克恩丹西酮59, 以防止任何呕吐引起的麻醉气体吸入, 这是经常观察到 N2O 在较高浓度使用60
  12. 使用改进的睡眠呼吸暂停持续正气道压力 (CPAP) 吊带将面罩和呼吸回路连接到主体, 并评估主体舒适性, 并在5厘米 H2O 正压下没有任何泄漏。
  13. 返回该主题的星享俱乐部保持坐在梅格的其余部分的研究。
  14. 采取一些预防措施, 以确保有限的主题运动在同时 MEG 和脑电图记录, 因为头部和身体运动可能导致大型工件的电磁记录, 并预计将发生在管理游离麻醉剂, 由于其众所周知的倾向, 诱发精神运动的鼓动。
    1. 将低密度无色泡沫制成的 custom-built 帽放在头部, 无论头部大小和形状如何, 都能保证 MEG 杜瓦头盔内的头部位置。
    2. 此外, 使用裹在大腿和臀部肌肉周围的布束, 并固定在 MEG 椅的背部, 以最小化在参与者垂直位置出现的任何下垂/懒散 (请参见图 1)。
    3. 在录制过程中, 使用 HPI 线圈连续跟踪磁头位置, 在实验完成后查看离线 (有关详细信息, 请参阅数据分析部分)。
  15. 一旦参与者安全地定位, 管理100% 启发 o2 , 并继续这长达30分钟, 直到他们的最终潮汐 o2浓度是 > 90% 表明他们是有效 de-nitrogenated, 一个过程中, 确保精确测量终潮麻醉气体浓度。
    1. 在最后5分钟的脱, 执行最后5分钟闭眼休息脑电图/MEG aCPT 录音, 以确保任何影响吐管理和脱可能对大脑活动, 随后可以确定和控制为.
    2. 比较这第三个基线记录到以前的基线 (休息眼睛关闭没有吐和任务眼睛关闭没有吐), 以确定止和 aCPT 有自发/休息的 M/脑电图的影响。基线被提到作为基线 1, 2 和3在原稿为休息眼睛闭合, 不用吐, 任务眼睛闭合, 不用吐和任务眼睛关闭了与吐, 分别。

Figure 1
图 1: 显示 EEG、EOG、肌电信号和心电图电极布局的图像, 以及在 MSR 中的总体设置.(A) 显示用于记录 EEG 的64通道 MEG 兼容帽, EOG 是用左眼上方和下方显示的两个电极记录的, 肌电信号是用两个放置在下颚下方的电极记录的, 而心电图是用两个电极放置在手腕.(B) 显示 custom-made 的泡沫帽和吊带, 用于在记录期间尽量减少主体移动。(C) 演示麻醉管理所需的最后配置, 其中包括将头部定位在 MEG 内, 并附上一个紧合气面罩。请单击此处查看此图的较大版本.

4. 气体管理协议

注: 气体管理协议因研究的 arm 而稍有不同。

  1. 管理氙在四逐步增加的水平和 N2O 在三逐步增加的水平。前三气体水平为每气体对应于同等 mac 醒的水平 0.25 (水平 1), 0.5 (水平 2) 和 0.75 (水平 3) 时间 mac 醒的集中。这些浓度分别为8%、16%、24% 和16%、32%、47% 浓度为氙/O2和 N2o/o2
    注意: 氙的 4th级别对应于 MAC 唤醒浓度的1.3 倍。
  2. 选择氙的 4th气体级别, 这样95% 的参与者就会在这个级别失去知觉 (所有被研究的对象都在 aCPT 任务期间完全丧失了响应能力)。由于有记录的倾向, n2o, 以诱发恶心和呕吐的高浓度, 不包括一个 n2o 级的浓度足以诱导失去知觉在95% 的参与者 (〜 75%)。图 2总结了气体管理配置文件。
  3. 对于所有同等 MAC 氙和 N2o 级别, 遵循相同的实验过程, 但42% 氙/o2除外, 这将需要稍有不同的方法 (见 4.4.....。
    1. 在每一个层次的开始, 通知主题和麻醉护士/临床观察者, 气体管理局将开始和记录脑电图和 MEG, 信号的管理麻醉师开始气体管理和启动 aCPT 任务。气体洗涤剂然后发生在10分钟期间, 因此目标结束潮汐气体集中到达在这个期间的末端并且保持5分钟 (假设的稳态阶段)。
    2. 在这5分钟的稳态期间结束时, 执行洗与管理 100% O2在10分钟期间结束潮汐气体集中返回到0。
    3. 重复下一步的步骤气体水平。
      注意: 在95% 的参与者中, 在42% 氙/O261的浓度下, 氙的响应损失预计会实现。这一水平的管理发生在较低的水平, 直到两个麻醉护士/临床观察者和按钮反应的损失表明咯。
  4. 一旦达到, 保持氙气体水平10分钟或直到麻醉师或麻醉护士/临床观察者认为它不安全的继续后, 洗与 100% O2发生的地方。在这种情况下, 麻醉师可能会认为它不安全继续包括频繁按压右按钮框, 表示恶心、声门噪声、呕吐等症状, 如过度流涎或吞咽和血管迷走神经反应。
    注意: 在这个最高的水平, 锻炼重要的谨慎, 并设置一个低的临床门槛停止氙气体管理。作者的经验表明, 这一水平可以与减少吞咽, 唾液的积累和外观的呕样的行为, 如果允许继续可能预示反流到面具。自然, 这种后果可能包括威胁生命的愿望。也有可能在较低的气体水平上发生较不强烈的反应, 从而在管理所有逐步气体水平时保持高度警惕。除了这些潜在的呼吸道问题, 要注意血管迷走神经性晕厥的可能性, 特别是在年轻男性参与者。他们的年龄和临时液体和食物制约是所有风险因素62

Figure 2
图 2: 氙和 N 的气体管理配置文件摘要2O.在药物管理过程中的时间轴和气体浓度为 N2O (顶部) 和氙 (底部)。每个时间线上方的数字表示自第一次气体输送开始以来的时间 (分钟)。每个级别的峰值平衡气体浓度是通过10分钟的均衡周期, 其次是5分钟的稳定状态期间, 峰值平衡气体浓度保持, 然后10分钟冲洗。峰值平衡气体浓度随着时间的推移依次增加。请注意, 实验的准备时间和气体管理后的时间不显示。请单击此处查看此图的较大版本.

5. 结构扫描

  1. 在 MRI 之前, 将维他命 E 胶囊放在参与者头上, 用作标记, 以突出鼻尖、左、右耳点的数字化基准点。这确保了更好的 co-registration 的 meg/脑电图传感器和 MRI 脑部扫描时, 试图将 meg/脑电图源成像与 MRI-based 神经。
  2. 获得一个单一的结构 T1-weighted MRI 扫描, 无论是完成的一个手臂的研究, 如果参与者感觉良好, 否则要求他们返回在一个单独的一天, 为结构的大脑扫描。

6. 参加者的后续行动

注: 当朋友或亲戚陪同时, 主语可以自由离开。

  1. 出院后, 要求参与者完成5维改变状态的被截断版本的意识等级表 (5 d-ASC);通过视觉模拟比例63,64, 通过比较正常和改变的知觉状态来访问个体差异的问卷。
  2. 此外, 在实验期间, 要求提交他们的总体经验的简短叙述, 以及关于水平依赖性定性效果的具体细节。
  3. 在每次录音会议后24小时内完成并发送给研究人员。

7. 数据分析

注: 本节介绍在 meg/脑电图传感器水平的基本数据分析, 包括在生成预处理的 meg/脑电图数据, 光谱地形, 头部运动, 反应性评分和听觉诱发反应的例子中所涉及的步骤。本文的重点是对典型实例的说明, 使读者能够理解记录数据的重要特征。不进行个体或 group-wise 统计分析, 因为本分析部分的原则目的是详细说明重要的预处理步骤, 这些过程证明了收集到的数据的质量和完整性。对于在该数据上可能执行的无数分析 (55,56 , 因为它们不在方法说明的范围内, 因此没有提供详细信息。

  1. 使用适当的数据分析软件完成对台式计算机的离线数据分析, 并使用相关的工具箱进行脑电图和 MEG 数据处理。在作者的管道中, 使用 Fieldtrip 工具箱65的版本20160801。
  2. 通过分析 5 HPI 线圈信号作为每一个级别的从属和基线 meg 记录的一部分, 首先获得连续的头部位置作为四元数坐标序列来计算磁头的运动。将磁头位置从四元数转换为笛卡尔坐标。
  3. 装配6和7录音为 N2O 和氙研究胳膊 (基线 1, 2 和 3, 气体水平1到3或1到4分别)。时间转移原始脑电图相对于 MEG 数据, 以同步两个信号类型的基础上, 一个共同的触发通道。这种形式的同步产生于脑电图记录系统的选择。
    注: 许多 meg 系统包含一个内置的脑电图系统, 提供了非常准确的电子水平同步的 meg & 脑电图, 但往往有低分辨率 DAC 量化16位。因此, 利用外部脑电图系统 (见 2.3) 有更高的24位脑电波振幅分辨率, 使对电极偏置电位的耐受性更高, 对低频信息的测量以及对所有通道的平面频率响应。
  4. 对于所有涉及气体输送和 aCPT 性能的记录, 重新定义时间零至 aCPT 任务/气体交付的开始。
  5. 目视检查原始 MEG 数据, 并排除任何不良通道, 进一步分析。接下来, 使用在 MEG 系统软件中实现的时间信号空间分离算法76来过滤数据。该算法抑制了传感器阵列外的磁干扰源, 从而减少了外部或刚体运动工件的产生。将输出数据集导入到数据分析软件中, 以便与所选的计 (102 通道) 一起使用, 以便进一步处理。
  6. 带通滤波器的 MEG 在2到50赫兹和应用线噪声过滤器在 50, 100 和 150 hz. 可视化工件检测和在 Fieldtrip 软件中实现的自动工件检测过程允许删除任何 artifactual 元素。视觉检查任何片段, 包括眼睛闪烁, 心跳或肌肉制品和排除的数据, 以及任何部分与重大变化的头部运动大于5毫米 (见下文)。
    注: 在每5分钟的基线或气体平衡周期开始时, 超过5毫米的运动被用来拒绝连续获得的 meg 数据, 因为 meg 源成像通常具有 5 mm 的空间分辨率 (例如MEG/脑电图波束55)。然而, 可以对 MEG 数据66进行移动补偿, 而不是拒绝与显著的头部移动相关的数据段, 但是这种方法超出了本文的范围。
  7. 与 MEG 数据一样, 目视检查64通道原始脑电图, 排除任何不良通道, 进一步进行数据分析。带通滤波器的数据使用相同的频率范围的 MEG。将 EEG 重新引用为普通平均值, 这是源成像方法的标准。最后, 删除所有包含与相应的 MEG 同期的工件的片段。
  8. 为了直观显示 meg/脑电图数据的频谱特性, 在 eeg 通道 FPz、Cz 和奥兹以及中线额、中央和枕梅格磁强计通道的前后中线上计算单面振幅谱 (图 3).
    1. 计算为 MEG/脑电图的 alpha 波段 (8-13 Hz) 功率的传感器级地形图, 考虑到先前已观察到 N2O 和 gaba 麻醉剂的强 alpha 波段变化25,31,67.
    2. 对于 EEG 数据, 使用 FPz 通道作为计算地形α波段功率的参考, 以便更好地突出 alpha 功率变化。

Figure 3
图 3: 脑电图 (a) 和 MEG (B) 传感器布局从头部顶部看, 并被夷为平地的平面.请注意, 在 ## #1 的传感器结束计和传感器结束在 ## #2 或 ## #3 是梯度。红色方框显示前中线沿线的通道, 用于可视化脑电图和 MEG、FPz (额)、Cz (中央) 和 Oz (枕骨) 和额、中央和枕骨磁强仪的频谱特性。请单击此处查看此图的较大版本.

  1. 为每个涉及 aCPT 任务的记录获取对过滤的无伪品 MEG 和脑电图数据的听觉诱发反应。世纪信号从-1000 毫秒到 +2000 毫秒相对于口气触发时间和平均所有可利用的工件自由世纪。在这种情况下, 要考虑刺激触发产生的潜伏期和将声音传递到耳中的时间, 190.5 毫秒。

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Representative Results

本节利用从一个主题获得的数据, 以证明同时录制的典型特征和这些信息的潜力有助于更好地了解麻醉引起的意识改变状态。为了简化博览会, 结果显示为 i) post-anti-催吐剂管理基线 (基线 3), ii) 0.75 等 MAC 清醒峰值气体浓度 (3 级), N2O (47%) 和氙 (24%) 和 iii) 氙峰值气体浓度 42% (4级)。选择级别3和 4, 因为它们分别为 N2O 和氙的最高稳态级别。此外, 4 级氙涉及明显的响应损失, 对于 N2O, 通常无法实现的状态。

为了清楚地阐明顶头运动的程度所有 5 HPI 卷的绝对位置在多次录音期间显示作为时间作用。图 4清楚地显示了在扫描过程中确保有限的移动所遵循的步骤与可接受的头部和身体运动水平有关, 尽管药物干预。在图 4(ii)中可以看到大量磁头移动的一个显著例子, 在记录了大磁头移动的20-25 分钟 (在冲洗期间)。这样的周期在视觉上被检测到并从数据中删除。该协议确保了所有级别上的稳定的最终潮汐气体浓度可以轻松且容易地实现 (参见图 4), 并使用 aCPT 任务对主题响应进行了稳健评估。图 4 (ii)4 (iv)清楚地显示了氙和一氧化二氮在5分钟稳定状态阶段对响应能力的评估减少。图 4(v)表示在42% 氙管理下的稳定状态期间的响应损失 (0% 精度), 如预期的那样。

Figure 4
图 4: 头移动、气体浓度和 aCPT 精度时间序列的示例从一个参与者为 (i) 基线 3 (后止) 在 N 之前2O 管理, (ii) 47% N2O (等级 3), (iii) 基线3在氙管理之前, (iv) 24% 氙 (水平 3), 和 (v) 42% 氙 (4 级).每个 sub-figure 显示绝对运动 (顶部) 的5头线圈 (传说下面 (ii) 表示线圈) 和气体浓度 (底部, 红色) 和 aCPT 精度 (底部, 蓝色) 作为一个时间的功能在分钟。请单击此处查看此图的较大版本.

筛选的无工件的 MEG 和 EEG 数据的例子在前面后方中线为相同的主题, 如图4所示的时间对齐10秒段为 N2O 和氙在图 5。基线 3 (post 止) 为氙和 N2O 显示了在枕道中的强α振荡 (用于脑电图的盎司和用于 MEG 的枕式磁力仪通道)。随着麻醉水平的提高 3 N2O (47% 峰值气体) 总信号功率减少, 随着α波段功率的减少特别明显。相比之下阿尔法的活动, 在氙管理的反应是不会显着减少, 直到4级 (42% 峰值气体)。与 N2O 相比, 增加氙浓度更清楚地与增量 (0-4 hz) 和θ (4-8 hz) 波段活动的振幅增加有关, 在 MEG 的42% 管理 (级别 4) 期间, 在中心站点尤其明显。

Figure 5
图 5: 时间对齐10第二个过滤工件的窗口的例子-免费 (a) MEG 和 (B) EEG 数据为同一主题在图 4对于 (i) 基线 3 (post 止) 在 N2之前的情况O 管理, (ii) 47% N2O (等级 3), (iii) 基线 3 (后止) 在氙管理之前, (iv) 24% 氙 (3 级), (v) 42% 氙 (4 级).对于24% 氙和 47% N2O, 所选的时间段为5分钟稳定状态的片段, 而对于42% 氙, 所选数据的纪元是在响应损失期间, 如主题的 aCPT 响应所示。正面 (蓝色), 中央 (红色) 和枕 (绿色) 对应各自的 MEG 磁力仪和脑电图频道。请单击此处查看此图的较大版本.

图 5中观察到的信号功率的变化在图 6中的相同信号的单面振幅谱中进一步详细。当从基线过渡到气体时, 出现了一系列观察到的能量变化, 但最重要的变化似乎是在枕电极上观察到的强基线α波段 (8-13 Hz) 功率逐渐衰减,增加气体浓度。这是补充了增加低频三角洲和θ波段活动。

Figure 6
图 6: 相同 (A) MEG 的振幅谱和 (B) 显示在图 5中的 EEG 数据 (i) 基线 3 (post 止) 在 N 之前2 O 管理, (ii) 47% N2O (等级 3), (iii) 基线 3 (后止) 在氙管理之前, (iv) 24% 氙 (3 级), (v) 42% 氙 (4 级).额 (蓝), 中央 (红色) 和枕 (绿色) 通道对应各自的 MEG 磁强计和脑电图通道。请单击此处查看此图的较大版本.

图 7说明了在氙波段和 N 个2O 气体浓度增加的α带功率中的地形变化的一个示例。注意, 随着氙和 n2o 的增加, 后α功率的明显衰减, 与以前观察到的 n2o 和 gaba 麻醉剂253167的变化一致。

Figure 7
图 7: 在 (A) MEG (仅限计) 和 (B) EEG 中, 在 (i) 基线 3 (post 止) 前 N2的情况下, 在 (一) 图5和6中为同一主题提供的8-13 赫兹波段功率O 管理, (ii) 47% N2O (等级 3), (iii) 基线 3 (后止) 在氙管理之前, (iv) 24% 氙 (3 级), (v) 42% 氙 (4 级).请单击此处查看此图的较大版本.

最后,图 8说明了与图 5-7中相同主题的协议和 aCPT 任务获得的传感器级 MEG 和 EEG 听觉诱发反应的示例。可以注意到, 在氙和 N2O 气体浓度的增加会导致第一响应峰值的减弱, 以及后期响应峰值的延迟、衰减或消失, 特别是在氙级 4 (42%) 的响应损失时。

Figure 8
图 8: (a) MEG 和 (B) 脑电图的传感器级听觉诱发反应与图5-7 中的相同主题 (i) 基线 3 (post 止) 在 N 之前2 O 管理, (ii) 47% N2O (等级 3), (iii) 基线 3 (后止) 在氙管理之前, (iv) 24% 氙 (3 级), (v) 42% 氙 (4 级).彩色蝶形图对应于 channel-wise 时间集合响应。对于每个蝶形图, 地形图对应于峰值响应时间。请单击此处查看此图的较大版本.

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Discussion

本文概述了一个全面的协议, 同时记录的 MEG 和脑电图在麻醉气体交付与 N2O 和氙。这样的一个协议将是有价值的研究的电磁神经相关的麻醉诱导减少意识。该议定书还预计将推广到其他麻醉气体, 如七氟醚或异氟醚的交付。这将有助于更好地理解的共同的, 具体的和独特的宏观机制, 基础麻醉诱导减少意识的一系列麻醉剂有相当不同的分子模式和行动目标。理解麻醉剂的功能是神经科学的一个突出的问题, 可以说是理解行为的神经基础的关键。

该例结果与以往研究麻醉诱发脑电功率谱变化的方法完全一致, 从而证明了我们所开发和概述的协议的真实性。在 n2o 管理的情况下, 上面总结的结果与在已观察到的具有高启发水平的 n2o (> 40%)2528的 EEG 中的增量、θ和 alpha 带功率的降低一致, 31。同样, 在氙麻醉期间, 我们的结果与少数发表的关于氙使用高密度脑电图效应的报告是一致的。例如, 约翰逊et al29显示了在增量和θ频带 (特别是在前部区域) 中的总功率增加的 EEG 的减慢, 结果与我们在这里介绍的典型结果非常吻合。进一步约翰逊et al.发现, 氙吸入与增加的额和后中线三角洲, 这些慢波活动的变化是地形不均匀的性质, 一个观察, 反映在这项调查的结果中, 在前后轴线上的频带地形变化表现出来。关于更高频率活动 (alpha 波段和以上) 的变化, 图片变得不太清晰。哈特曼et al34描述了全球 alpha 活动的减少, 有些类似于作者的结果, 而在 beta 波段 (13-30 Hz) 中的全球增长, 而 Laitio et al33显示额α的增加和后α活动的减少。在 beta 和伽玛频率范围内的约翰逊 et al29报告了伽玛波段 (35-45 Hz) 功率的普遍增加, 而转到et al32显示减少。总而言之, 这种方法能够很好地诱发电磁脑活动的变化, 这些改变是用更简单的记录配置报告给 N2O 和氙的。

我们已经清楚地说明了气体麻醉剂氙和 N2O 诱发的影响, 振幅光谱, α波段功率的地形和听觉诱发反应的过滤无公害 MEG/脑电图数据。更精细的数据分析方法有望提供重要的洞察力的麻醉作用机制和相应的全球和地方的变化, 在网络连接发生变化的意识状态。在传感器级数据之外移动, 并查看源活动将提供一个表示的自发活动的变化, 可以更好地与神经 (查看请参阅55)。应用各种功能连接措施 (请参阅56) 到此源级别的数据将有助于进一步了解功能连接中断在麻醉引起的减少中的作用意识1

到目前为止, 药物-MEG 在麻醉行为的定性方面一直未得到充分利用, 但对癫痫患者的诊断镇静或增强痫活性的研究却是一个例外。这类 MEG 研究的显著例子包括霍尔et al.68,69在那里进行了单次口服安定, 康韦尔et al70 sub-anesthetic 氯胺酮被注入的地方, Saxena et al.71 , 看着异丙酚镇静剂, Quaedflieg et al.72瑞芬太尼对不匹配负性的影响的研究。最近, Muthukumaraswamy 和同事73在功能连接中使用了 MEG 对氯胺酮镇静剂的研究, 揭示了重要的振荡变化, 特别是α、θ和伽玛功率, 以及显著NMDA 介导的 frontal-to-parietal 连通性的改变。我们的结果清楚地表明, 同时记录 MEG 和高密度脑电图在探索麻醉机制的潜力和效用。对作者的知识没有事先同时进行的 MEG/脑电图研究已经在人体内的挥发性或气态麻醉剂, 因此在此概述的方法将有望刺激进一步的努力, 在这个方向。

我们的协议有几个相关的限制, 应该被提及。首先, 实验过程是设计的气体麻醉管理的头脑和重要的, 但 untrialled, 修改将需要考虑时, 使用其他类型的麻醉剂, 如挥发性药物, 最好的例证氟.在挥发性吸入麻醉剂的情况下, 我们建议使用喉罩气道, 以确保呼吸道通畅, 但应注意侵入性的程序性质。其次, 我们选择了一个非常简单的听觉连续性能任务来监控响应。一个简单的听觉连续性能范例被选择, 因为事件相关的变化不是这次调查的主要焦点。为了调查更详细的相关性之间的大脑活动和认知在麻醉更复杂和明显的听觉77, 视觉71和触觉78刺激将需要使用。在麻醉期间的头部运动也是一个可能的成像混淆, 我们已经解决了通过使用 custom-built 泡沫帽, 保持头部安全的 meg 杜瓦, 一个安全带, 使参与者在 meg 椅安全, 严格的数据工件删除过程。最后, 本文中缺少一个明确的人为因素分析79 , 可以量化其他调查人员可以轻松地遵循该协议的程度。虽然我们确实提供了一些说明的限制和其他因素与执行吸入麻醉使用氙和 N2O, 而记录脑电图/MEG, 发展的具体指标的性能可以被利用, 以表示资源和时间相对于协议的特定部分的部署。

这里概述的结果清楚地表明, 它可以同时记录 meg 和脑电图在限制设置的 meg 磁屏蔽环境, 同时确保高质量的数据, 是与最低的头部移动和不定的伪影。这种方法可能具有重要的临床意义, 因为它们可以被用来更好地了解任何可能的普遍的麻醉机制, 这反过来又可能导致改善临床监测麻醉剂的预防事件围手术期的认识和改善术后结局74,75。此外, 设置并不一定限于麻醉调查, 但可以相应地修改, 以适应各种类型的药理干预, 气体或其他。

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Disclosures

作者没有什么可透露的。

Acknowledgements

作者想感谢 Mahla 的卡梅隆. 布拉德利, 雷切尔. 安妮和乔安娜. 斯蒂芬。另外还要感谢 Dr. 史蒂文 Mcguigan 作为第二个麻醉师的支持。佩帕帕斯提供了宝贵的麻醉护士监督。马库斯. 斯通欣然地将他的时间和专长用于编辑和拍摄该协议。Dr. Muthukumaraswamy 给出了关于数据分析和结果解释的具体建议。最后, 杰拉德戈特了许多令人振奋的讨论, 帮助执行了一些试点实验, 并在泡沫头支撑设计的中心。

这项研究得到了詹姆斯. 麦克唐纳合作赠款 #220020419 "重建意识", 授予乔治 Mashour, 迈克尔阿维丹, 马克斯 Kelz 和大卫 Liley。

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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