Name: recording brain electromagnetic activity during the administration of the gaseous anesthetic agents xenon and nitrous oxide in healthy volunteers
Uploaded: 2018-01-13T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Recording Brain Electromagnetic Activity During the Administration of the Gaseous Anesthetic Agents Xenon and Nitrous Oxide in Healthy Volunteers at JoVE.com

De auteurs bedank Mahla Cameron Bradley, Rachel Anne Batty en Johanna Stephens voor waardevolle technische hulp bij het verzamelen van de gegevens van de MEG. Bedankt zijn bovendien uitgebreid tot Dr. Steven Mcguigan voor ondersteuning als een tweede anesthesist. Paige Pappas verstrekt waardevolle verdoving verpleegkundige-toezicht. Markus Stone aangeboden genadig zijn tijd en expertise in het bewerken en het filmen van het protocol. Dr. Suresh Muthukumaraswamy gaf specifiek advies met betrekking tot data-analyse en de interpretatie van resultaten. Ten slotte, Jarrod Gott bijgedragen veel een stimulerende discussie, geholpen bij de uitvoering van een aantal proefprojecten en stond centraal in het ontwerp van de hoofd brace van schuim.
Dit onderzoek werd gesteund door een gezamenlijke subsidie van James S. McDonnell #220020419 "Wederopbouw van bewustzijn" toegekend aan George Mashour, Michael Avidan, Max Kelz en David Liley.

De studie getiteld "Effecten van ingeademd Xe en N2O op hersenactiviteit opgenomen met behulp van EEG en MEG" goedgekeurd (erkenningsnummer: 260/12) door de Alfred Hospital en Swinburne University of Technology ethisch comité en voldoet aan de eisen van de nationale Verklaring over ethisch gedrag in menselijke onderzoek (2007).
1. deelnemers selectie en voorstudie eisen
<ol><li>Het gedrag van een interview Schakel gezonde, rechtshandige, volwassen mannen tussen de leeftijden van ...

Dit papier heeft een uitgebreide protocol voor de gelijktijdige opname van MEG en EEG tijdens verdoving gas levering met N2O en Xe geschetst. Zo'n protocol zullen waardevol voor het bestuderen van de elektromagnetische neurale correlaten van verdoving-geïnduceerde reducties in bewustzijn zijn. Het protocol wordt ook verwacht om te generaliseren naar de levering van andere verdoving gassen zoals Sevofluraan of Isofluraan. Dit vergemakkelijkt een beter inzicht in de algemene, specifieke en verschillende macrosc...

Er is goede consensus tussen pre-klinische en klinische neurowetenschappelijke aanwijzingen dat het fenomeen van het menselijke bewustzijn afhankelijk is van de integriteit van expliciete neurale circuits. De observatie dat dergelijke schakelingen systematisch worden beïnvloed door de afdaling tot bewusteloosheid heeft de behoefte aan neuroimaging technieken worden gebruikt tijdens de anesthesie en inschakelen 'navigatie' de zoektocht naar de neurale correlaten van onderbouwd bewustzijn. Met de mogelijke uitzondering van de slaap, verdoving vertegenwoordigt de enige methode waaraan men kan, in een beheerste, omkeerbare en reproduceerbare wijze erover en dus ontleden, de mechanismen waarmee sub bewustzijn, met name op de macroscopische schaal van global brain dynamics. Klinisch, narcose kan worden gedefinieerd als een staat van hypnose/bewusteloosheid, immobiliteit en analgesie en blijft een van de meest overvloedig gebruikte en veiligste medische ingrepen. Ondanks de duidelijkheid en efficiëntie in het eindresultaat blijft er grote onzekerheid met betrekking tot de mechanismen van de actie van de verschillende soorten stoffen die aanleiding geven tot verdoving geïnduceerde bewusteloosheid1.
Verdoving kunnen worden onderverdeeld in intraveneuze agenten met name propofol en de barbituraten of volatile/gasvormige stoffen zoals Sevofluraan, Isofluraan, distikstofoxide (lachgas) (N2van O) en xenon (Xe). De farmacologie van de verdoving al gevestigde met meerdere cellulaire doelen geïdentificeerd als gekoppeld aan verdoving actie. De meeste agenten studeerde tot datum voornamelijk via de agonisme Toetredingsakte γ-Amino-Butyric-Acid-(GABA) receptor gemedieerde activiteit. In contrast, de Dissociatieve agenten ketamine, worden Xe en N2O verondersteld om te oefenen hun effecten door voornamelijk gericht op N-Methyl-D-Aspartate-(NMDA) glutamaterge receptoren2,3. Andere belangrijke farmacologische doelstellingen bevatten kalium kanalen, acetylcholine-receptoren en het restant glutamaat receptoren, AMPA en kainate, maar de omvang van hun bijdrage aan de verdoving actie ongrijpbaar (Zie voor een uitgebreide review blijft 4).
De mate van variabiliteit in het werkingsmechanisme en de waargenomen fysiologische en neurologische effecten van de verschillende soorten agenten maakt de afleiding van de algemene conclusies over hun invloed op de verwerking van de bewuste moeilijk. Verlies van bewustzijn (LOC) geïnduceerd door GABAergic agenten wordt het doorgaans gekenmerkt door een globale verandering in hersenactiviteit. Dit is duidelijk in het ontstaan van hoge-amplitude, lagefrequentie-delta (δ, 0,5-4 Hz) golven en de vermindering van hoge frequentie, gamma (γ, 35-45Hz) activiteit in het electroencephalogram (EEG), vergelijkbaar met de trage Golf slaap5,6 , evenals de grootschalige reducties in cerebrale bloed stroom en glucose metabolisme5,6,7,8,9,10,11,12 . Boveroux et al. 13 toegevoegd aan dergelijke waarnemingen door aan te tonen een significante afname van de rust van de functionele connectiviteit staat onder propofol verdoving met behulp van functionele magnetische resonantie imaging (fMRI). In tegenstelling, dissociatieve verdoving een minder opbrengst duidelijk profiel van effecten op de hersenactiviteit. In sommige gevallen zijn ze gekoppeld aan stijgingen van de cerebrale bloed stroom en glucose metabolisme14,15,16,17,18,19, 20,,21 , terwijl studies door Rex en collega's22 en Laitio en collega's23,24 te kijken naar de effecten van Xe verstrekte bewijsmateriaal van zowel verhoogde vooruit en verminderde hersenen activiteit. Een gelijkaardige onregelmatigheid kan worden gezien in de effecten op de EEG signalen25,26,27,28. Johnson et al.. 29 aangetoond een toename van het totale vermogen van de lage frequentie banden delta en theta zo goed zoals in de hogere frequentie band gamma in een hoge dichtheid EEG studie van Xe anesthesie terwijl tegengestelde opmerkingen werden gemaakt voor N2O in de delta, theta en Alfa frequentie30,31 bands en voor Xe in de hogere frequenties32. Dergelijke variabiliteit in de effecten van Xe op de hoofdhuid van de elektrische activiteit kan worden waargenomen in de Alfa en beta twee frequentiegebieden met beide verhoogt ook33 en verlagingen34 worden gerapporteerd.
Ondanks de bovengenoemde verschillen, het beeld begint te worden consistenter over agenten wanneer men probeert om naar te kijken veranderingen in functionele connectiviteit tussen hersengebieden. Dergelijke maatregelen zijn echter overwegend beperkt tot modaliteiten die noodzakelijkerwijs concessies met betrekking tot ruimtelijke of temporele resolutie. Terwijl de studies met behulp van de EEG lijken te duidelijk, en tot op zekere hoogte overeenstemming, veranderingen in de topologische structuur van functionele netwerken tijdens anesthesie/sedatie met propofol35, Sevofluraan36 en N2O37, onthullen de sterk verdeelde niveau EEG sensorgegevens heeft onvoldoende ruimtelijke resolutie zinvol definiëren en de hoekpunten van de overeenkomstige functionele netwerken af te bakenen. Omgekeerd, studies met behulp van de superieure ruimtelijke resolutie van fMRI en positron emissie tomografie (PET), vinden soortgelijke topologische wijzigingen in grootschalige functionele connectiviteit aan die van EEG13,38,39 ,40,41, echter onvoldoende temporele resolutie te karakteriseren van fase-amplitude-koppeling in de Alfa (8-13 Hz) EEG-band en andere dynamische verschijnselen die ontstaan als belangrijke handtekeningen van bezitten verdoving actie12,42. Bovendien, deze maatregelen niet direct evalueren elektromagnetische neurale activiteit43.
Daarom, om zinvol verder het begrip van de macroscopische processen gekoppeld aan het optreden van de verdoving, de beperkingen van de eerder genoemde onderzoeken moeten worden aangepakt; de beperkte dekking van verdoving agenten en de onvoldoende spatio-temporele resolutie van de niet-invasieve metingen. Op deze basis schetsen de auteurs een methode om tegelijkertijd record magnetoencephalogram (MEG) en EEG-activiteit bij gezonde vrijwilligers die is ontwikkeld voor het beheer van de gasvormige Dissociatieve verdoving agenten, Xe en N2O.
De MEG wordt gebruikt als het is de techniek alleen niet-invasieve neurofysiologische dan de EEG die heeft doorgaans een temporele resolutie milliseconde. EEG heeft het probleem van de vervaging van de elektrische velden door de schedel, die als een low-pass filter op cortically gegenereerde activiteit, fungeert terwijl MEG veel minder gevoelig voor deze kwestie en de kwestie van volume geleiding44 is. Het kan worden betoogd dat MEG hoger ruimtelijke en lokalisatie nauwkeurigheid dan EEG 45,46bron. EEG staat geen echte referentie-gratis opname37,47, maar MEG doet. MEG systemen meestal ook corticale activiteiten vastleggen in een veel breder frequentiebereik dan EEG, met inbegrip van hoge gamma48(meestal 70-90 Hz), die zijn voorgesteld te worden betrokken bij de hypnotische effecten van verdoving agentia inclusief Xe29 en N 2 O28. De MEG biedt neurofysiologische activiteit die die overgebracht door EEG, EEG-activiteit complimenten heeft betrekking op extracellulaire elektrische stromen terwijl MEG voornamelijk de magnetische velden die worden gegenereerd door intracellulaire stromingen46, weerspiegelt 49. Voorts MEG is bijzonder gevoelig voor elektrofysiologische activiteit raakvlak aan de cortex, terwijl EEG records meestal extracellulaire activiteit radiale tot en met de cortex-49. Dus het combineren van MEG en EEG gegevens heeft Super additieve voordelen50.
De gasvormige Dissociatieve agenten Xe en N2O hebben gekozen om de volgende redenen van het principe: ze zijn geurloos (Xe) of in wezen geurloos (N2O) en kan dus gemakkelijk worden gebruikt in de aanwezigheid van controlevoorwaarden wanneer werksaam by subklinisch concentraties. Daarnaast zijn ze goed geschikt voor extern beheer en controle in een labo-omgeving als gevolg van hun zwakke cardio-respiratoire depressieve effecten61. Xenon en een mindere mate N2O, behouden een relatief lage minimum-alveolaire - concentratie-(MAC)-wakker op welke 50% van de patiënten een mondelinge opdracht met waarden van 32.6 ± 6,1%51 en52 van de 63.3 + - 7,1% respectievelijk reageert. Ondanks Xe en N2O zowel NMDA receptorantagonisten, moduleren zij de EEG anders - Xe lijkt te gedragen zich meer als een typische GABAergic agent wanneer gecontroleerd met behulp van de Bispectral Index33,53,54 (één van verschillende benaderingen gebruikt om te controleren electroencephalographically diepte van verdoving). In tegenstelling, produceert N2O een veel minder herkenbaar electroencephalographic effect in die zin dat het slecht, als helemaal gecontroleerd met behulp van de Bispectral Index26. Omdat Xe verschillende gerapporteerde electroencephalographic eigenschappen aan de andere Dissociatieve agenten heeft, maar beschikt over vergelijkbare kenmerken aan de meer algemeen bestudeerde GABAergic agentia, heeft haar elektrofysiologische studie het potentieel om het onthullen van belangrijke functies met betrekking tot de neurale correlaten van bewustzijn en de overeenkomstige wijzigingen in het functionele netwerk. Agenten die op de NMDA-receptor handelen dreigen te onthullen meer over de hersenen netwerken die subserve normale en veranderd bewustzijn, gezien de essentiële rol die NMDA receptor gemedieerde activiteit speelt bij het leren en geheugen en haar geïmpliceerd rol in een aantal psychiatrische stoornissen zoals schizofrenie en depressie80.
Dit artikel richt zich vooral op de veeleisende en complexe gegevens verzameling procedure die is gekoppeld aan de levering van gasvormige verdoving agenten in een extramurale omgeving tijdens het gelijktijdig opnemen van MEG en EEG. Basisgegevens analyses op het niveau van de sensor is beschreven en vindt u voorbeeldgegevens illustreren dat HiFi-opnamen met minimale hoofd verkeer kunnen worden verkregen. De vele mogelijke manieren voor latere beeldvorming en/of functionele connectiviteit Bronanalyse die zou worden meestal uitgevoerd met behulp van dit soort gegevens worden niet beschreven, zoals deze methoden goed in de literatuur beschreven worden en tonen van de verschillende opties voor analyse55,56.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="681">
	<tbody>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:216px;">Neuromag TRIUX 306-channel MEG system</td>
			<td style="width:115px;">Elekta Oy, Stockholm, SWEDEN</td>
			<td style="width:119px;">N/A</td>
			<td style="width:231px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Polhemus Fastrak 3D system</td>
			<td style="width:115px;">Polhemus, VT, USA</td>
			<td style="width:119px;">N/A</td>
			<td style="width:231px;"></td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:216px;">MEG compatible ER-1 insert headphones</td>
			<td style="width:115px;">Etymotic Research Inc., IL, USA</td>
			<td style="width:119px;">N/A</td>
			<td style="width:231px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Low Density foam head cap, MEG compatible</td>
			<td style="width:115px;">N/A</td>
			<td style="width:119px;">N/A</td>
			<td style="width:231px;">Custom made by research team</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:216px;">Harness, MEG compatible</td>
			<td style="width:115px;">N/A</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:231px;">~3 m long, ~ 5 cm wide, cloth/jute strip to secure participant position on MEG chair</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:216px;">Ambu Neuroline 720 Single Patient Surface Electrodes</td>
			<td style="width:115px;">Ambu, Copenhagen, Denmark</td>
			<td style="width:119px;">72015-K10</td>
			<td style="width:231px;"></td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:216px;">3.0T TIM Trio MRI system</td>
			<td style="width:115px;">Siemens AB, Erlangen, GERMANY</td>
			<td style="width:119px;">N/A</td>
			<td style="width:231px;"></td>
		</tr>
		<tr height="84">
			<td height="84" style="height:84px;width:216px;">Asalab amplifier system</td>
			<td style="width:115px;">ANT Neuro, Enschede, NETHERLANDS</td>
			<td style="width:119px;">N/A</td>
			<td style="width:231px;">this system is no longer manufactured and has been deprecated to 64 channel eego EEG amplifier</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:216px;">64-channel Waveguard EEG cap, MEG compatible</td>
			<td style="width:115px;">ANT Neuro, Enschede, NETHERLANDS</td>
			<td style="width:119px;">CA-138</td>
			<td style="width:231px;">size Medium</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:216px;">Magnetically shielded cordless battery box</td>
			<td style="width:115px;">ANT Neuro, Enschede, NETHERLANDS</td>
			<td style="width:119px;">N/A</td>
			<td style="width:231px;">Magnetic shielding not provided by manufacturer &#8211; Modified by research team</td>
		</tr>
		<tr height="84">
			<td height="84" style="height:84px;width:216px;">OneStep ClearGel Electrode gel</td>
			<td style="width:115px;">H+H Medizinprodukte GbR, Munster, GERMANY</td>
			<td style="width:119px;">154547</td>
			<td style="width:231px;"></td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:216px;">Akzent Xe Color Anesthesia Machine</td>
			<td style="width:115px;">Stephan GmbH, Gackenbach, GERMANY</td>
			<td style="width:119px;">N/A</td>
			<td style="width:231px;"></td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:216px;">Omron M6-Comfort Blood Pressure Monitor</td>
			<td style="width:115px;">Omron Healthcare, Kyoto, JAPAN</td>
			<td style="width:119px;">N/A</td>
			<td style="width:231px;"></td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:216px;">Xenon gas (99.999% purity)</td>
			<td style="width:115px;">Coregas, Thomastown, VIC, AUSTRALIA</td>
			<td style="width:119px;">N/A</td>
			<td style="width:231px;">we estimate that we use approx 40 L (SATP) per participant</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:216px;">Medical Nitrous Oxide</td>
			<td style="width:115px;">Coregas, Thomastown, VIC, AUSTRALIA</td>
			<td style="width:119px;">N/A</td>
			<td style="width:231px;">x2 G size cylinders</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:216px;">Medical Oxygen</td>
			<td style="width:115px;">Coregas, Thomastown, VIC, AUSTRALIA</td>
			<td style="width:119px;">N/A</td>
			<td style="width:231px;">x2 G size cylinders</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:216px;">Medical Air</td>
			<td style="width:115px;">Coregas, Thomastown, VIC, AUSTRALIA</td>
			<td style="width:119px;">N/A</td>
			<td style="width:231px;">x2 G size cylinders</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Filter Respiratory &#38; HMES with Capno Port Hypnobag</td>
			<td style="width:115px;">Medtronic, MN, USA</td>
			<td style="width:119px;">352/5805</td>
			<td style="width:231px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Yankauer High Adult</td>
			<td style="width:115px;">Medtronic, MN, USA</td>
			<td style="width:119px;">8888-502005</td>
			<td style="width:231px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Quadralite EcoMask anaesthetic masks</td>
			<td style="width:115px;">Intersurgical Australia Pty Ltd</td>
			<td style="width:119px;">7093000/7094000</td>
			<td style="width:231px;">size 3 and size 4</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Suction Canister Disp 1200 mL Medival Guardian</td>
			<td style="width:115px;">Cardinal Health, OH, USA</td>
			<td style="width:119px;">65651-212</td>
			<td style="width:231px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Catheter Mount Ext 4-13 cm with&#160; 90A elbow</td>
			<td style="width:115px;">Medtronic, MN, USA</td>
			<td style="width:119px;">330/5667</td>
			<td style="width:231px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Catheter IV Optiva 24g x 19 mm Yellow St Su</td>
			<td style="width:115px;">Smiths Medical, MN, USA</td>
			<td style="width:119px;">5063-INT</td>
			<td style="width:231px;"></td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:216px;">Dexamethasone Mylan Injection Vials (4 mg/1 mL)</td>
			<td style="width:115px;">Alphapharm Pty Ltd, Sydney, AUSTRALIA</td>
			<td style="width:119px;">400528517</td>
			<td style="width:231px;"></td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:216px;">Ondasetron (4 mg/2 mL)</td>
			<td style="width:115px;">Alphapharm Pty Ltd, Sydney, AUSTRALIA</td>
			<td style="width:119px;">400008857</td>
			<td style="width:231px;"></td>
		</tr>
		<tr height="546">
			<td height="546" style="height:546px;width:216px;">Medical resuscitation cart</td>
			<td style="width:115px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:231px;">The medical resuscitation cart is configured according to the suggested minimal requirements for Adult resuscitation recommended in the document &#34;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.&#160; 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.&#160; Full details can be found at https://resus.org.au/standards-for-resuscitation-clinical-practice-and-education/</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:216px;">Maxfilter Version 2.2</td>
			<td style="width:115px;">Elekta Oy, Stockholm, SWEDEN</td>
			<td style="width:119px;">N/A</td>
			<td style="width:231px;">Data analysis software provided with Elekta&#39;s Neuromag TRIUX MEG system</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

recording brain electromagnetic activity during the administration of the gaseous anesthetic agents xenon and nitrous oxide in healthy volunteers

Anesthesie biedt misschien wel een van de slechts systematische manieren om te studeren van de neurale correlaten van mondiale bewustzijn/bewusteloosheid. Maar tot op heden de meeste neuroimaging of neurofysiologische onderzoeken bij de mens hebben beperkt tot de studie van γ-Amino-Butyric-Acid-(GABA)-receptor-agonist-based anesthetica, terwijl de effecten van Dissociatieve N-Methyl-D-Aspartate-(NMDA)- receptor antagonist-gebaseerde verdoving ketamine, lachgas (N2van O) en xenon (Xe) zijn grotendeels onbekend. Dit document beschrijft de methoden die ten grondslag liggen aan de gelijktijdige opname van Liquor (MEG) en elektro-encefalografie (EEG) van de gezond mannetjes tijdens inademing van gasvormige verdoving agenten N2O en Xe. Combineren van MEG en EEG gegevens maakt de beoordeling van elektromagnetische hersenactiviteit tijdens anesthesie bij hoge temporele en matige ruimtelijke, resolutie. Hier beschrijven we een gedetailleerd protocol, verfijnd over meerdere opnamesessies, waarin onderwerp werving, verdoving apparatuur setup in MEG scanner kamer, gegevensverzameling en analyse van de basisgegevens. In dit protocol wordt elke deelnemer blootgesteld aan verschillende niveaus van Xe en N2O in een herhaalde maatregelen cross-over design. Aanleiding van relevante basislijn opnames deelnemers worden blootgesteld aan de stapsgewijze verhoging van geïnspireerd concentraties van Xe en N2O van 8, 16, 24 en 42%, en 16, 32 en 47% respectievelijk, gedurende welke hun niveau van ontvankelijkheid wordt bijgehouden met een auditieve continue prestaties taak (aCPT). Resultaten worden gepresenteerd voor een aantal opnames wil de sensor-niveau-eigenschappen van de ruwe gegevens, de spectrale topografie, de minimalisering van de hoofdbewegingen en de ondubbelzinnige niveau afhankelijke effecten op de auditieve evoked respons. Dit paradigma beschrijft een algemene aanpak om de opname van elektromagnetische signalen die is gekoppeld aan het optreden van de verschillende soorten van gasvormige anesthetica, die gemakkelijk kunnen worden aangepast voor gebruik met vluchtige en intraveneuze verdoving agenten. Verwacht wordt dat de methode geschetst aan het inzicht in de mechanismen van de macro-schaal van de verdoving bijdragen kan doordat methodologische extensies waarbij bron ruimte beeldvorming en functionele netwerkanalyse.

In deze sectie maakt gebruik van gegevens die zijn verkregen uit één onderwerp om aan te tonen van de typische kenmerken van de gelijktijdige opnamen en het potentieel van deze informatie om bij te dragen voor een beter begrip van verdoving geïnduceerde veranderde staten van bewustzijn. Ter vereenvoudiging van de expositie, resultaten worden weergegeven voor i) opnames van de na-anti-braakmiddel administratie basislijn (basislijn 3), ii) 0,75 equi-MAC-wakker gas piekconcentraties (nive...

Watch this Scientific Journal Video about Recording Brain Electromagnetic Activity During the Administration of the Gaseous Anesthetic Agents Xenon and Nitrous Oxide in Healthy Volunteers at JoVE.com

Recording Brain Electromagnetic Activity During the Administration of the Gaseous Anesthetic Agents Xenon and Nitrous Oxide in Healthy Volunteers

Gelijktijdige Liquor en elektro-encefalografie biedt een nuttig instrument om te zoeken naar gemeenschappelijke en duidelijke macroschaal mechanismen van reducties in bewustzijn geïnduceerd door verschillende verdoving. Deze paper toont de empirische methodes ten grondslag liggen aan de opname van dergelijke gegevens van gezonde mensen tijdens N-Methyl-D-Aspartate-(NMDA)-receptor-antagonist-based verdoving tijdens inademing van distikstofoxide (lachgas) en xenon.

Opname elektromagnetische hersenactiviteit tijdens de toediening van de gasvormige verdoving agenten Xenon en nitreuze Oxide bij gezonde vrijwilligers

Anesthesia arguably provides one of the only systematic ways to study the neural correlates of global consciousness/unconsciousness. However to date most ...

The purpose of this experiment is to characterize changes in brain electromagnetic activity in response to the administration of the two gaseous dissociative agents xenon and nitrous oxide to healthy participants in a two-way repeated measures crossover design. Due to the complexity of the experiment, it is important that the majority of equipment setup occurs before participant arrival. The most important of these is the configuration of the EEG system in the magnetically shielded room or MSR.The EEG amplifier is placed in the MSR as far as practical away from the participant, and needs to be configured to run on DC power using either a built-in battery or an external shielded battery box. Fiber optic coupling from the amplifier to the data-logging computer should be checked to be operational. Finally, a video camera in the MSR should be configured such that its field of view clearly captures the participant's face and upper thorax such that the physician anesthesiologist can clearly monitor the respiratory and airway status of the participant.In order that consistent and comparable data is acquired, participants are first interviewed to confirm their eligibility for the study. Participants should be healthy males of 20 to 40 years of age with no psychiatric or neurological conditions, no recent history of drug or alcohol use, and have no respiratory or cardiac conditions. Participants should arrive clean-shaven on the day of the experiment, and having fasted for at least six hours.To ensure high quality EEG recordings, it is recommended that the subject's hair has been recently washed without conditioner, and that their scalp has been firmly brushed to remove any dried or dead skin. An MEG-compatible high-density EEG cap is applied with the appropriate use of conductive gel. Head position indicator coils are then firmly attached at predefined locations on the EEG cap.All auxiliary biopotential electrodes are then applied at the designated locations on the subject's face and body. For subsequent analysis, it is important that all electrodes and HPI coil positions are accurately registered along with digitization of the outlines of the orbits, nasal ridge and cheeks for subsequent coregistration with structural MRI. Two electrodes are placed submentally to record resting muscle tone.Electrooculogram or EOG recordings are made by placing two further electrodes above and below the eye. And finally, a three-lead ECG derivation is configured by electrodes on the left and right wrist flexor surfaces. EEG electrode impedances should then be verified as being below five kiloohms in order to yield high-fidelity recordings.The duration of the experiment as well as the sedative effects of the administered gases makes minimization of head movement vital. A memory foam head brace is applied in order to reduce lateral head movement, and a jute harness is tied around the body to minimize any vertical movement. Eyes-closed resting state and baseline auditory continuous performance task recordings are now performed.It is of vital importance that the administration of anesthetic gases is supervised by a physician anesthesiologist at all times. As well as patient monitoring, the role of the physician anesthesiologist includes ensuring the adequate configuration of the anesthetic gas delivery unit, specialized in this case to deliver and monitor xenon. The physician anesthesiologist will test the anesthesia machine, check that the mask fits comfortably and does not leak, adjust gas flows, insert a cannula, administer antiemetics, as well as commencing denitrogenation with 100%oxygen with the participant seated in the MSR before the final post-antiemetic baseline data collection and the start of the gas administration protocol.At this stage the participant will be comfortably seated in the MSR having been denitrogenated and having been administered dexamethasone and ondansetron to minimize the risk of any adverse nausea or vomiting due to gas administration. Before the MSR door is closed, the anesthetic nurse or other suitably trained medical professional is seated next to the participant. A final check is made that the blood pressure cuff is connected, the button response boxes are comfortably positioned, and the pulse oximeter on the toe or finger is securely fastened.The protocol then proceeds to deliver four Equi-MAC awake progressively increasing stepwise levels of xenon gas, or three stepwise nitrous oxide levels over a period of 15 minutes each in order to assure blood-brain-gas equilibration. Each level should contain a five-minute steady state when the desired gas concentration is reached and should be followed by a 10-minute washout period. During all levels, oxygen, carbon dioxide, and xenon or nitrous oxide levels are continuously monitored and electronically logged.At the end of each level, participants are briefly assessed before progressing to higher levels. Because at the highest xenon level, in which loss of responsiveness is achieved, airway obstruction can readily and unexpectedly occur, and subjects need to be closely monitored and continuously assessed by qualified personnel, both inside and outside the MSR for all necessary action to be taken immediately. At the conclusion of the experiment, the physician anesthesiologist will enter the MSR and debrief with the patient.The participant is then brought outside the MSR where the apparatus is removed and they are administered standard postoperative anesthetic care. Before the participant leaves, ensure they are safe to travel home with a relative or friend. In the next 24 hours, the participant will be required to fill in the questionnaires regarding the procedure and any after effects.This video has been primarily prepared to illustrate the methods involved in delivering gaseous anesthesia while recording simultaneous EEG and MEG data, therefore, only very basic data analysis and representative results are presented to give the viewer a clear idea of what the recorded data should look like. The basic results illustrate examples of head movement, gas concentration timecourse and auditory task accuracy;filtered artifact-free EEG and MEG data;EEG and MEG spectra and power topography;and auditory evoked responses for both baseline and during gas administration. To create the basic results, the following pipeline is employed using a combination of data analysis software platforms and toolboxes.The raw MEG and EEG data is stored as fif and cnt file formats respectively. Head movements are computed using the MaxFilter software and a script written by the authors, both used to convert head movements from the cortonian space into Cartesian coordinates. Auditory task accuracy and reaction time are then computed and visualized, time-aligned with the head movement and gas concentration time series, in order to assess data quality before further processing the EEG and MEG data.Time alignment of the data is based on recorded trigger times. Typically, head movement will be minimal during baseline conditions, while more movement tends to occur at the higher gas levels associated with more dissociated or sedated states. This can be seen here for example in the 42%xenon recording where the top figure shows head movement, and the bottom, gas concentration and auditory task accuracy.Note that loss of responsiveness occurs between 7.5 and 12.5 minutes. Absolute head movement of less than five millimeters is considered acceptable for source imaging purposes. Data segments with movement larger than five millimeters are ignored.Preprocessing of the MEG and EEG data initially involves selection of bad channels. This is followed by the use of the tSSS algorithm to remove artifacts from the MEG recording due to external sources. The rest of the processing pipeline involves the use of data analysis software platforms and associated toolboxes for analysis.Band-pass and notch filtering is applied to both the MEG and EEG data to focus analysis on the frequency band of interest. Time periods in the data containing artifacts are rejected based on visual inspection, in addition to removing periods involving excessive head movement changes. Filtered artifact-free MEG and EEG data can then be visualized and related to anesthetic-induced changes.Amplitude spectra for each sensor and spectral band power topographies across all sensors are then computed for both MEG and EEG data. Visualization of the amplitude spectra at different sensor locations facilitates observation of the effects of different anesthetic levels on signal spectra. Visualization of sensor level power topography in different frequency bands, in this case the alpha band, enables the observation of the effects of different anesthetic levels on the spacial pattern of activity.The filtered artifact-free MEG and EEG data are then epoched using triggers linked to the time of auditory tone delivery. Average auditory evoked responses are then constructed through time on sample averaging. Visualization of sensor level auditory evoked responses allows for the characterization of the effects of anesthetics on the brain's responsiveness.In particular, awakening of the initial evoked response and the disappearance of the later evoked response peaks results from high gas concentrations. There are many other potential interesting analysis steps that can be performed subsequent to this basic analysis. Given that there are many options presented in the literature, we do not cover them in detail here.Such options include MEG and EEG source imaging using beamforming or minimum-norm estimation to gain a better understanding of the relationship between brain activity and brain anatomy. Sensor or source-level functional connectivity analysis can unravel changes in brain networks linked to anesthetic action. There is also the option to either focus analysis on the sensor or source-level auditory evoked responses, or to look at continuous data independent of the auditory stimulus in order to identify any anesthetic-induced changes in global brain dynamics.The macroscale mechanisms of anesthetic-induced reductions in consciousness are not well understood. Evidence from literature has strongly implicated a breakdown in functional connectivity underlying anesthetic-induced reductions in consciousness. Although anesthetics have a diverse range of molecular targets of action and different macroscopic effects on the EEG and MEG, it is still not resolved if there exists a universal or common macroscale mechanism across all anesthetics.Here we have outlined a protocol for performing gaseous anesthesia using the putative NMDA receptor antagonists xenon and nitrous oxide while simultaneously recording MEG and EEG data. This method will facilitate the study of different gaseous and volatile agents on simultaneously recorded MEG and EEG data, and thus the search for universal mechanisms of anesthetic-induced reductions in consciousness.

Education

Research

JoVE Core

JoVE Journal

Statistics

Neuroscience

Unit 1

Measures of Variation

Measures of Relative Standing

Probability Distributions

Estimates

Distributions

Hypothesis Testing

Analysis of Variance

Correlation and Regression

Statistics in Practice

SCIENTISTS IN ACTION

Assessment of Ultrasonic Vocalizations During Drug Self-administration in Rats

Beoordeling van Ultrasone Spreken Tijdens Drug Zelf-toediening bij ratten

Drug self-administration procedures are commonly used to study behavioral and neurochemical changes associated with human drug abuse, addiction and ...

Morphometric Analyses of Retinal Sections

Morfometrische analyses van het netvlies secties

Morphometric analyses of retinal sections have been used in examining retinal diseases. For examples, neuronal cells were significantly lost in the ...

Optical Recording of Suprathreshold Neural Activity with Single-cell and Single-spike Resolution

Optische registratie van suprathreshold neurale activiteit met single-cell en single-spike resolutie

Signaling of information in the vertebrate central nervous system is often carried by populations of neurons rather than individual neurons. Also ...

Microdialysis of Ethanol During Operant Ethanol Self-administration and Ethanol Determination by Gas Chromatography

Microdialyse van alcohol tijdens de operante ethanol zelftoediening en ethanol bepaling door gaschromatografie

Operant self-administration methods are commonly used to study the behavioral and pharmacological effects of many drugs of abuse, including ethanol.  ...

Multi-unit Recording Methods to Characterize Neural Activity in the Locust (Schistocerca Americana) Olfactory Circuits

Multi-unit Recording Methods to Characterize Neural Activity in the Locust Schistocerca Americana Olfactory Circuits

Multi-unit Opname Methoden om neurale activiteit karakteriseren in de Locust (<em&gt; Schistocerca Americana</em&gt;) Olfactorische Circuits

Detection and interpretation of olfactory cues are critical for the survival  of many organisms. Remarkably, species across phyla have strikingly similar ...

Recording Electrical Activity from Identified Neurons in the Intact Brain of Transgenic Fish

Opnemen van elektrische activiteit van geïdentificeerde neuronen in de intacte hersenen van transgene Fish

Understanding the cell physiology of neural circuits that regulate complex behaviors is greatly enhanced by using model systems in which this work can be ...

Electrophysiological Recording in the Brain of Intact Adult Zebrafish

Elektrofysiologische opname in de hersenen van Intact Adult zebravis

Previously, electrophysiological studies in adult zebrafish have been limited to slice preparations or to eye cup preparations and electrorentinogram ...

Simultaneous Electrophysiological Recording and Micro-injections of Inhibitory Agents in the Rodent Brain

Gelijktijdig Elektrofysiologische opname en Micro-injecties van remmende middelen in de knaagdierhersenen

Here we describe a method for the construction of a single-use &#8220;injectrode&#8221; using commercially accessible and affordable parts. A probing ...

Recording Temperature-induced Neuronal Activity through Monitoring Calcium Changes in the Olfactory Bulb of Xenopus laevis

Recording Temperature-induced Neuronal Activity through Monitoring Calcium Changes in the Olfactory Bulb of Xenopus laevis

Opname-temperatuur-geïnduceerde neuronale activiteit door middel van monitoring Calcium Veranderingen in de Olfactorische Bulb van<em&gt; Xenopus laevis</em

The olfactory system, specialized in the detection, integration and processing of chemical molecules is likely the most thoroughly studied sensory system. ...

Recording Synaptic Plasticity in Acute Hippocampal Slices Maintained in a Small-volume Recycling-, Perfusion-, and Submersion-type Chamber System

Synaptische plasticiteit opnemen in Acute Hippocampal plakjes onderhouden in een kleine volumes Recycling-, perfusie-, en onderdompeling-type kamer systeem

Even though experiments on brain slices have been in use since 1951, problems remain that reduce the probability of achieving a stable and successful ...