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

Die Autoren möchten Mahla Cameron Bradley, Rachel Anne Batty und Johanna Stephens für wertvolle technische Hilfe mit MEG Datenerhebung zu danken. Vielen Dank werden zusätzlich auf Dr. Steven Mcguigan für Unterstützung als eine zweite Anästhesist ausgedehnt. Paige Pappas zur Verfügung gestellt von unschätzbarem Wert Narkose Krankenschwester versehen. Markus Stone dargebotene gnädig seine Zeit und Know-how in der Bearbeitung und Filmen das Protokoll. Dr. Suresh Muthukumaraswamy gab spezifische Beratung in Bezug auf Daten-Analyse und die Interpretation der Ergebnisse. Zu guter Letzt Jarrod Gott trugen viele eine anregende Diskussion, half bei der Durchführung einer Reihe von Pilotprojekten und stand im Mittelpunkt bei der Gestaltung der Schaum Kopf Klammer.
Diese Forschung wurde James S. McDonnell kollaborative #220020419 unterstützt, die "Rekonstruktion Bewusstsein" George Mashour, Michael Avidan, Max Kelz und David Liley verliehen.

Die Studie mit dem Titel "Auswirkungen von Einatmen Xe und N2O auf die Gehirnaktivität aufgezeichnet mit EEG und MEG" wurde zugelassen (Zulassungsnummer: 260/12) von Alfred Hospital und Ethikkommission der Swinburne University of Technology und erfüllt die Anforderungen der nationalen Erklärung zur Ethik in der Forschung am Menschen (2007).
1. die Teilnehmerauswahl und Vorstudie Anforderungen
<ol><li>Führen Sie ein Interview wählen Sie gesunde, Rechtshänder, Erwachsene Männ...

Dieses Papier hat ein umfassendes Protokoll für die gleichzeitige Aufnahme von MEG und EEG während der Narkose Gas-Lieferung mit N2O und Xe umrissen. Ein solches Protokoll wird für die Untersuchung der elektromagnetischen neuronale Korrelate des Betäubungsmittel-induzierte Reduktionen im Bewusstsein wertvoll sein. Das Protokoll soll auch auf die Lieferung von anderen anästhetische Gase wie Sevofluran oder Isofluran verallgemeinern. Dies erleichtert ein größeres Verständnis für die gemeinsamen, spezifi...

Es gibt guten Konsens zwischen vorklinische und klinische neurowissenschaftliche Anhaltspunkte dafür, dass das Phänomen des menschlichen Bewusstseins hängt von der Integrität der expliziten neuronale Schaltkreise. Die Beobachtung, dass solche Schaltungen systematisch durch den Abstieg in die Bewusstlosigkeit beeinflusst werden begründet die Notwendigkeit für bildgebende Verfahren genutzt werden, während der Narkose und aktivieren "Navigation" die Suche nach den neuronalen Korrelate des Bewusstsein. Mit der möglichen Ausnahme des Schlafes Anästhesie stellt die einzige Methode, mit der kann man in einer kontrollierten, reversibel und reproduzierbare Weise, belästigen und somit zu sezieren, die Mechanismen, die Sub-Bewusstsein, vor allem im makroskopischen Maßstab dienen globales Gehirn Dynamik. Klinisch, allgemeine Anästhesie kann definiert werden als ein Zustand der Hypnose/Bewusstlosigkeit, Unbeweglichkeit und Analgesie und bleibt eine der am meisten reichlich verwendet und sichersten Eingriffe. Trotz der Klarheit und Effizienz in das Endergebnis bleibt große Unsicherheit über die Wirkmechanismen der verschiedenen Typen von Agenten zu Narkose induzierte Bewusstlosigkeit1.
Anästhetika können intravenöse Agenten unterteilt werden insbesondere Propofol und Barbiturate oder flüchtige/gasförmigen Mitteln wie Sevofluran, Isofluran, Lachgas (N2O) und Xenon (Xe). Die Pharmakologie der Narkose wurde mit mehrere zellulare Ziele identifiziert als Narkose Aktion mit gut etabliert. Die meisten Mittel studierte bis Datum Akt hauptsächlich über die Agonismus der γ-Amino-Butyric-Acid-(GABA)-Rezeptor vermittelt-Aktivität. Im Gegensatz dazu die dissoziative Agenten Ketamin, werden Xe und N2O geglaubt, um ihre Wirkung ausüben, indem Sie in erster Linie auf N-Methyl-D-Aspartate-(NMDA) glutamatergen Rezeptoren2,3. Andere wichtige pharmakologische Ziele umfassen Kaliumkanäle, Acetylcholin-Rezeptoren und der Rest Glutamat-Rezeptoren, AMPA und Kainate, aber der Umfang ihres Beitrags zur Narkose Aktion schwer (für eine umfassende Überprüfung siehe bleibt ( 4).
Das Ausmaß der Variabilität in der Wirkmechanismus und die beobachteten physiologischen und neuronalen Effekte der verschiedenen Arten von Agenten rendert die Ableitung der allgemeinen Schlussfolgerungen über ihren Einfluss auf die bewusste Verarbeitung schwierig. Verlust des Bewußtseins (LOC) induziert durch GABAerge Agenten zeichnet sich in der Regel durch eine globale Änderung in der Aktivität des Gehirns. Dies ist offensichtlich bei der Entstehung von hoher Amplitude, Niederfrequenz-Delta (δ, 0,5-4 Hz) Wellen und der Rückgang der Hochfrequenz, Gamma (γ, 35-45Hz) Aktivität im Elektroenzephalogramm (EEG), ähnlich wie bei langsamen Welle schlafen5,6 sowie die weit verbreitete Reduzierung cerebral Blood Flow und Glukose Stoffwechsel5,6,7,8,9,10,11,12 . Boveroux Et Al. 13 hinzugefügt, um solche Beobachtungen zeigen eine signifikante Abnahme im ruhenden Zustand funktionelle Verknüpfung unter Propofol Anästhesie mit der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT). Dissoziativen Anästhetika ergeben dagegen eine weniger klare Profil der Auswirkungen auf die Aktivität des Gehirns. In einigen Fällen sind sie verbunden mit einem Anstieg der zerebralen Blut fließen und Glukose Stoffwechsel14,15,16,17,18,19, 20,21 während der Studien von Rex und Kollegen22 und Laitio und Kollegen23,24 Blick auf die Auswirkungen der Xe zur Verfügung gestellt, Belege für beide erhöht und verringert Gehirn Aktivität. Eine ähnliche Unregelmäßigkeit entnehmen bitte die Auswirkungen der EEG-Signale25,26,27,28. Johnson Et al.. 29 zeigten einen Anstieg der Gesamtleistung der Niederfrequenz Bands Delta und Theta ebenso wie in der höheren Frequenz Band Gamma in einer hohen Dichte EEG-Studie des Xe Anästhesie während gegnerische Beobachtungen, für N2O im Delta gemacht wurden, Theta und Alpha Frequenz Bänder30,31 und für Xe in die höheren Frequenzen32. Diese Variabilität in die Auswirkungen der Xe auf der Kopfhaut elektrische Aktivität beobachtet werden, in der Alpha und Beta-Frequenzbereiche mit beiden erhöht auch33 und Reduzierungen34 gemeldet wird.
Trotz der oben genannten Abweichungen beginnt das Bild werden konsistentere über Agenten, wenn man versucht, die funktionelle Verknüpfung zwischen den Hirnarealen Veränderungen betrachten. Solche Maßnahmen wurden jedoch überwiegend auf Modalitäten beschränkt, die zwangsläufig Zugeständnisse in Bezug auf räumliche oder zeitliche Auflösung zu machen. Während Studien mit dem EEG erscheinen klar und in gewissem Maße konsistent, Veränderungen in der topologischen Struktur funktionale Netzwerke während der Narkose/Sedierung mit Propofol35, Sevofluran36 und N2O37, zeigen die weit auseinander liegende Ebene EEG Sensordaten hat unzureichende räumlichen Auflösung sinnvoll definieren und die Scheitelpunkte des entsprechenden funktionellen Netzwerken abzugrenzen. Im Gegensatz dazu finden Studien nutzen die hervorragende räumliche Auflösung der fMRI und Positronen-Emissions-Tomographie (PET), ähnliche topologische Änderungen in groß angelegte funktionelle Verknüpfung der EEG13,38,39 ,40,41, besitzen jedoch nicht genügend zeitlichen Auflösung zu charakterisieren Phase-Amplitude Kupplung in der alpha (8-13 Hz) EEG-Band und anderen dynamischen Phänomene, die als wichtige Unterschriften von entstehen Narkose Aktion12,42. Darüber hinaus bewerten diese Maßnahmen nicht direkt elektromagnetische neuronale Aktivität43.
Daher, um das Verständnis für die makroskopische Prozesse rund um die Wirkung der Anästhesie sinnvoll zu fördern, die Grenzen der zuvor erwähnten Untersuchungen angegangen werden müssen; die eingeschränkte Abdeckung von Anästhetika und die ungenügende räumlich-zeitliche Auflösung der nicht-invasiven Messungen. Darauf aufbauend erläutern die Autoren eine Methode, um gleichzeitig aufzeichnen Magnetoencephalogram (MEG) und EEG-Aktivität bei gesunden Probanden, die entwickelt wurde für die Verwaltung von gasförmigen dissoziativen Anästhetika, Xe und N2O.
Die MEG wird genutzt, da es nur nicht-invasiven neurophysiologischen Technik als das EEG ist, dass eine zeitliche Auflösung im Millisekundenbereich. EEG hat das Problem der Unschärfe der elektrischen Felder durch den Schädel, die wirkt wie ein Tiefpass-Filter auf cortically generierten Aktivität während MEG viel weniger anfällig für dieses Problem und die Frage der Band Wärmeleitung44 ist. Es kann argumentiert werden, dass MEG höher hat räumliche und Quell-Lokalisierung Genauigkeit als EEG 45,46. EEG erlaubt keine echte Referenz-freie Aufnahme37,47, aber MEG ist. MEG Systeme zeichnen in der Regel auch kortikale Aktivität in einem breiteren Frequenzbereich als EEG, einschließlich hohe Gamma48(in der Regel 70-90 Hz), die sind vorgeschlagen worden, in den hypnotischen Effekten von Anästhetika einschließlich Xe29 und N einbezogen werden 2 O28. Die MEG bietet neurophysiologische Aktivität, die Komplimente, vermittelt durch EEG, als EEG-Aktivität auf extrazellulären elektrischen Strömen bezieht, während MEG vor allem die Magnetfelder von intrazellulären Strömungen46, spiegelt 49. Darüber hinaus MEG reagiert besonders empfindlich auf elektrophysiologische Aktivität tangential zu den Kortex, während EEG meist radial zum Kortex49extrazelluläre Aktivität erfasst. MEG und EEG Daten so zu kombinieren, hat super-Additiv Vorteile50.
Die gasförmigen dissoziative Mitteln Xe und N2O wurden folgenden Grundsatz Gründen ausgewählt: sie sind geruchlos (Xe) oder im wesentlichen geruchlos (N2O) und kann somit leicht genutzt werden, im Beisein von Kontrolle Bedingungen beschäftigt subklinische Konzentrationen. Darüber hinaus eignen sie sich gut für remote-Administration und Überwachung in einer Laborumgebung aufgrund ihrer schwachen kardiorespiratorischer dämpfenden Effekte61. Xenon und zu einem geringeren Ausmaß N2O, behalten eine relativ niedrige Minimum-Alveolar - Konzentration-(MAC)-wach, bei denen 50 % der Patienten zu einer mündlichen Befehl mit Werten von 32,6 ± 6,1 %51 und 63,3 + - 7,1 %52 bzw. reagiert. Trotz Xe und N2O sowohl als NMDA-Rezeptor-Antagonisten, sie modulieren das EEG anders - Xe erscheint eher wie eine typische GABAergen Agent wenn überwacht mit Hilfe der Bispectral Index33,53,54 Verhalten (einer der mehrere Ansätze zur Tiefe der Narkose elektroenzephalographisch Überwachung). Im Gegensatz dazu wirkt N2O eine viel weniger offensichtlich EEG ist es schlecht, wenn überhaupt, mit Bispectral Index26überwacht. Da Xe verschiedene gemeldeten EEG Eigenschaften wie die anderen dissoziativen Agenten hat, sondern ähnliche Eigenschaften wie die häufiger studierten GABAergen-Agenten besitzt, hat die elektrophysiologische Untersuchung das Potenzial, wichtige offenbaren Funktionen in Bezug auf die neuronalen Korrelate des Bewusstseins und die entsprechenden funktionalen Netzwerkänderungen. Agents, die auf den NMDA-Rezeptor handeln werden voraussichtlich mehr verraten über die Gehirnnetzwerke, die normal und veränderten Bewusstseins, dienstbar angesichts der kritischen Rolle, die NMDA-Rezeptor vermittelt Aktivität spielt in lernen und Gedächtnis und ihre betroffenen Rolle in einer Reihe von psychiatrische Erkrankungen, die Schizophrenie und Depression80enthalten.
Dieses Dokument konzentriert sich hauptsächlich auf die anspruchsvolle und komplexe Datenübernahmeverfahren Zusammenhang mit der Lieferung von gasförmiger Anästhetika in einem Krankenhaus während der Aufnahme gleichzeitig MEG und EEG. Grundlegende Datenanalyse an der Sensor-Ebene skizziert und Beispieldaten dienen zur Veranschaulichung, dass HiFi-Aufnahmen mit minimalen Kopfbewegung erzielt werden können. Viele potenzielle Methoden zur anschließenden Bildbearbeitung und/oder funktionelle Konnektivität Quellenanalyse, die in der Regel ausgeführt werden würde, mit dieser Art von Daten werden nicht beschrieben, wie diese Methoden auch in der Literatur beschrieben sind und verschiedene Möglichkeiten zeigen, 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

Anästhesie bietet wohl eine der nur systematischen Möglichkeiten, um die neuronalen Korrelate des globalen Bewusstsein/Bewusstlosigkeit zu studieren. Aber bis heute die meisten Neuroimaging oder neurophysiologische Untersuchungen beim Menschen zum Studium der γ-Amino-Butyric-Acid-(GABA)-receptor-agonist-based Anästhetika, während die Effekte der dissoziativen N-Methyl-D-Aspartate-(NMDA) - beschränkt Rezeptor-Antagonist-basierte Narkosemittel Ketamin, Lachgas (N2O) und Xenon (Xe) sind weitgehend unbekannt. Dieses Papier beschreibt die Methoden, die die gleichzeitige Aufzeichnung von Magnetoenzephalographie (MEG) und Elektroenzephalographie (EEG) von gesunden Männern beim Einatmen gasförmiger Anästhetika N2O und Xe zugrunde liegen. Kombination von MEG und EEG-Daten ermöglicht die Bewertung der elektromagnetischen Hirnaktivität während der Narkose bei hoher zeitlicher und moderate, Ortsauflösung. Hier beschreiben wir ein detailliertes Protokoll, über mehrere Aufnahme-Sessions, verfeinert, das Thema Rekrutierung, Anästhesie-Geräte-Setup im MEG Scanner Zimmer, Datenerfassung und Analyse der grundlegenden Daten enthält. In diesem Protokoll ist jeder Teilnehmer unterschiedlicher Xe und N2O in einem Messwiederholungen Cross-over-Design ausgesetzt. Nach relevanten Baseline Aufnahmen Teilnehmer ausgesetzt sind, schrittweise Erhöhung inspiriert Konzentrationen von Xe und N2O 8, 16, 24 und 42 % und 16, 32 und 47 % bzw. bei denen ihr Maß an Reaktionsfähigkeit verfolgt wird mit einer auditiven kontinuierliche Leistung Aufgabe (aCPT). Die Ergebnisse werden für eine Reihe von Aufnahmen auf der Sensorebene Eigenschaften die Rohdaten, die spektrale Topographie, die Minimierung von Kopfbewegungen und die eindeutigen Level abhängigen Auswirkungen auf die auditiven evozierten Antworten zu markieren. Dieses Paradigma beschreibt einen allgemeinen Ansatz zur Aufzeichnung der elektromagnetische Signale, verbunden mit der Aktion verschiedener gasförmiger Anästhetika, die leicht angepasst werden können, mit flüchtigen und intravenöse Anästhetika verwendet werden. Es wird erwartet, dass die beschriebene Methode zum Verständnis der Makroebene Mechanismen der Anästhesie beitragen kann, durch die Aktivierung der methodischer Erweiterungen mit Quelle Raum Bildgebung und funktionelle Netzwerkanalyse.

In diesem Abschnitt nutzt Daten aus einem Thema um die typischen Merkmale der gleichzeitige Aufnahmen zu demonstrieren und das Potenzial solcher Informationen, ein besseres Verständnis der Betäubungsmittel induzierte beizutragen veränderte Bewusstseinszustände. Um die Exposition zu vereinfachen, Ergebnisse werden angezeigt für i) Aufnahmen von den post-anti-Brechmittel Verwaltung Basisplan (Baseline 3), (Ii) 0,75 Equi-MAC-wach Gaskonzentrationen (Ebene 3) von N2O (47 %) un...

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

Gleichzeitige Magnetoenzephalographie und Elektroenzephalographie bietet ein nützliches Werkzeug, um gemeinsame und eindeutige Makroebene Mechanismen der Kürzungen im Bewusstsein induziert durch verschiedene Anästhetika gesucht. Dieses Papier zeigt die empirische Methoden zugrunde liegen die Aufzeichnung dieser Daten aus gesunden Menschen während der N-Methyl-D-Aspartate-(NMDA)-receptor-antagonist-based Anästhesie während der Inhalation von Lachgas und Xenon.

Aufnahme elektromagnetische Aktivität des Gehirns während der Verabreichung von Lachgas bei gesunden Probanden und gasförmiger Anästhetika Xenon

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

Beurteilung der Ultraschall-Vocalizations Während Drug Selbstverwaltung in Ratten

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

Forschung

Neurowissenschaften

Morphometric Analyses of Retinal Sections

Morphometrische Analysen von Netzhautschnitte

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 Aufnahme überschwellige neuronale Aktivität mit Single-Cell-und Single-Spike Auflösung

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

Microdialysis Ethanol während operante Ethanol Selbstverwaltung und Ethanol Bestimmung durch Gaschromatographie

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 Recording Methoden zur neuronalen Aktivität in der Locust Charakterisieren (<em&gt; Schistocerca Americana</em&gt;) Olfaktorische 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

Aufzeichnung der elektrischen Aktivität von identifizierten Neuronen im intakten Gehirn von transgenen Fischen

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

Elektrophysiologische Aufnahme im Gehirn von erwachsenen Zebrafisch Intact

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

Gleichzeitige Elektrophysiologische Aufzeichnung und Micro-Injektionen von Hemmstoffe im Gehirn von Nagetieren

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

Aufzeichnung von Temperatur-induzierte neuronale Aktivität durch Calcium Überwachen von Änderungen in der Riechkolben von<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

Aufnahme synaptische Plastizität in akuten Hippocampal Scheiben gepflegt in einem kleinvolumigen Recycling - Perfusions- und untertauchen-Typ-Kammer-System

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