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

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以及脑血流和葡萄糖代谢的广泛减少^5,67891011.Boveroux et al。¹³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 al。²⁹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 EEG^{13,38,39 、40、41}, 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。