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

Forfatterne vil takke Mahla Cameron Bradley, Rachel Anne Batty og Johanna Stephens for verdifulle kundestøtte for MEG datainnsamling. Takk er i tillegg utvidet til Dr. Steven Mcguigan for støtte som en andre Anestesilege. Paige Pappas gitt uvurderlig bedøvende sykepleier forglemmelse. Markus Stone bød allernådigst sin tid og ekspertise innen og filming protokollen. Dr. Suresh Muthukumaraswamy ga spesifikke råd om dataanalyse og tolkning av resultatene. Endelig Jarrod Gott bidratt mange en stimulerende diskusjon, hjalp i gjennomføringen av en rekke piloten eksperimenter og sentralt i utformingen av skum hode seler.
Denne forskningen ble støttet av James S. McDonnell samarbeidende stipend #220020419 "Rekonstruere bevissthet" tildelt George Mashour, Michael Avidan, Max Kelz og David Liley.

Undersøkelsen med tittelen "Effekter av inhalert Xe og N2O på hjerneaktivitet registrert bruker EEG og MEG" ble godkjent (godkjenningsnummer: 260/12) av Alfred sykehus og Swinburne University of Technology etikk og oppfylt kravene av National Uttalelse på etisk atferd i menneskelig forskning (2007).
1. deltaker utvalg og pre-studie krav
<ol><li>Gjennomføre et intervju for å velge sunn, høyrehendt, voksne menn mellom 20 og 40 år.<ol>
<li>Bekreft statusen god generell helse v...

Dette papiret har skissert en omfattende protokoll for samtidig opptak av MEG og EEG under anestesi gassen med N2O og Xe. Slike en protokoll vil være verdifulle for å studere elektromagnetisk nevrale korrelerer bedøvelse-indusert reduksjon i bevisstheten. Protokollen forventes også å generalisere å levere andre bedøvende gasser som desflurane eller isoflurane. Dette vil lette større forståelse av felles, bestemt og tydelig makroskopisk mekanismer underlie bedøvelse-indusert reduksjon i bevisstheten f...

Det er god konsensus mellom prekliniske og kliniske neuroscientific bevis som tyder på at fenomenet menneskelige bevissthet er avhengig av integriteten til eksplisitt nevrale kretser. Observasjon at slike kretser er systematisk påvirket av nedstigningen til bevisstløshet har begrunnet behovet for neuroimaging teknikker benyttes under anestesi og aktivere "navigering" Søk etter nevrale korrelerer bevissthet. Med mulig unntak av søvn anestesi representerer den eneste metoden som en kan, i en kontrollert, reversibel og reproduserbar mote, forurolige, og dermed analysere, mekanismer som sub tjene bevissthet, spesielt på makroskopisk skala Global hjerne dynamikk. Klinisk narkose kan defineres som en tilstand av hypnose/bevisstløshet, ubevegelighet og analgesi og fortsatt en av de helt brukt og tryggeste medisinske intervensjoner. Til tross for klarhet og effektivitet i sluttresultatet, er det fortsatt stor usikkerhet om virkningsmekanismer av ulike typer av agenter gir opphav til anestesi indusert bevisstløshet1.
Bedøvelse kan deles inn i intravenøs agenter særlig propofol og barbiturater eller flyktige/gass stoffer som desflurane, isoflurane, lystgass (N2O) og xenon (Xe). Farmakologi av anestesi er godt etablert med flere mobilnettet mål som knyttet til anestesi handling. De fleste agenter studerte dato handling hovedsakelig via agonism γ-Amino-Butyric-Acid-(GABA) reseptor-mediert aktivitet. I kontrast, dissosiativ agenter Ketamin, antas Xe og N2O å utøve deres effekter av primært rettet mot N-Methyl-D-Aspartate-(NMDA) glutamatergic reseptorer2,3. Andre viktige farmakologiske mål inkluderer kalium kanaler, acetylcholine reseptorer og rest glutamat reseptorer, AMPA og kainate, men omfanget av deres bidrag til anestesi handling forblir unnvikende (for en omfattende gjennomgang se 4).
Omfanget av variasjon i virkningsmekanismen og observerte fysiologiske og nevrale effekten av ulike typer av agenter gjengir avledning av generelle konklusjoner på deres innflytelse på bevisst behandling vanskelig. Tap av bevissthet (LOC) av GABAergic agenter er vanligvis preget av en global endring i hjerneaktivitet. Dette er tydelig i fremveksten av høy-amplitude, lavfrekvente delta (ses, 0,5-4 Hz) bølger og reduksjon i høy frekvens, gamma (γ, 35-45Hz) aktivitet i EEG (EEG), liknende treg bølge sove5,6 som utbredt reduksjoner i hjerne blod flyte og glukose metabolisme5,6,7,8,9,10,11,12 . Boveroux et al. 13 til slike observasjoner ved å demonstrere en betydelig reduksjon i hvile tilstand funksjonelle tilkobling under propofol anestesi med funksjonell magnetisk resonans imaging (fMRI). Derimot dissosiativ bedøvelse gir en mindre klart profil effekter på hjerneaktivitet. I noen tilfeller er de knyttet til økning i hjerne blod flyte og glukose metabolisme14,15,16,17,18,19, 20,21 mens studier av Rex og kolleger22 og Laitio og kolleger23,24 ser på effekten av Xe gitt bevis for både økt og redusert hjernen aktivitet. En lignende uregelmessig kan sees effekter på EEG signaler25,26,27,28. Johnson et al. 29 viste en økning i total makt lavfrekvente band delta og theta så vel som høyere frekvens bandet gammaen i en kompakt EEG studie av Xe anestesi mens motstridende observasjonene var gjort for N2O i delta, theta og Alpha frekvens band30,31 og Xe i de høyere frekvenser32. Slike variasjoner i effekten av Xe på elektrisk hodebunnen aktiviteten kan observeres i alpha og beta frekvensområder også med begge øker33 og reduksjoner34 rapporteres.
Til tross for avvik nevnt ovenfor, begynner bildet å bli mer konsekvent over agenter når man forsøker å se på endringer i funksjonelle tilkobling mellom hjernen områder. Slike tiltak har imidlertid vært hovedsakelig begrenset til modaliteter som nødvendigvis gjør innrømmelser med hensyn til romlige eller temporal oppløsning. Mens studier med EEG vises å avsløre klar, og til dels konsekvent, endringer i topologisk strukturen av funksjonelle nettverk under anestesi/sedasjon med propofol35, desflurane36 og N2O37, den mye avstand sensordata for EEG har utilstrekkelig romlig oppløsning meningsfullt definere og avgrense hjørnene av tilsvarende funksjonelle nettverk. Derimot finne studier utnytte den overlegne romlig oppløsningen på fMRI og fantes et positron utslipp tomografi (PET), lignende topologisk endringer i store funksjonelle tilkobling som EEG13,38,39 ,40,41, men har ikke nok midlertidig løsning å karakterisere fase-amplitude kobling i alpha (8-13 Hz) EEG bandet og andre dynamiske fenomener som dukker opp som viktige signaturer av anestesi handling12,42. Videre disse tiltakene ikke direkte evaluere elektromagnetisk nevrale aktivitet43.
Derfor for å meningsfull fremme forståelsen av makroskopisk prosessene knyttet av anestesi, må begrensningene til tidligere nevnte undersøkelser tas; begrenset dekning av bedøvende agenter og utilstrekkelig spatio-temporale oppløsningen av ikke-invasiv målinger. På dette grunnlaget, forfatterne skissere en metode for å samtidig spille inn magnetoencephalogram (MEG) og EEG aktivitet i friske frivillige som er utviklet for administrasjon av gass dissosiativ bedøvende agenter, Xe og N2O.
MEG benyttes som det er bare ikke-invasiv nevrofysiologiske teknikken enn EEG som har en midlertidig løsning i millisekund området. EEG har problemet med sløret av elektriske felter av skallen, som fungerer som et low pass-filteret på cortically generert aktivitet, mens MEG er mye mindre følsom for dette problemet og problemet volum ledning44. Det kan hevdes at MEG har høyere romlige og kilde lokalisering nøyaktighet enn EEG 45,46. EEG tillater ikke sant referanse-fri innspilling37,47, men MEG gjør. MEG systemer også vanligvis registrere kortikale aktivitet i et mye større frekvensområde enn EEG, inkludert høy gamma48(vanligvis 70-90 Hz), som har blitt foreslått for å være involvert i hypnotiske effekten av bedøvende agenter inkludert Xe29 og N 2 O28. MEG tilbyr nevrofysiologiske aktivitet som komplimenterer som formidles av EEG, som EEG aktivitet gjelder ekstracellulære elektrisk strøm mens MEG hovedsakelig gjenspeiler det magnetiske feltet generert av intracellulær strøm46, 49. videre MEG er spesielt følsomme for elektrofysiologiske aktivitet tangentiell til cortex, mens EEG hovedsakelig poster ekstracellulære aktivitet radial til cortex49. Dermed kombinere MEG og EEG har super additiv fordeler50.
Gass dissosiativ agenter Xe og N2O er valgt for følgende prinsipp: de er luktfri (Xe) eller egentlig luktfri (N2O), og dermed kan enkelt utnyttes i nærvær av kontroll forhold når ansatt ved sub klinisk konsentrasjoner. I tillegg er de godt egnet for ekstern administrasjon og overvåking i et laboratoriemiljø på grunn av sin svake kardio-respiratorisk depressant effekter61. Xenon og til og med en mindre grad N2O beholde relativt lav minimum-alveolar - konsentrasjon-(MAC)-våken i som 50% av pasientene bli unresponsive til en verbal kommando med verdier av 32,6 ± 6,1%51 og 63.3 + - 7,1%52 henholdsvis. Til tross for Xe og N2O både blir NMDA reseptor antagonister, de modulerer EEG annerledes - Xe synes å oppfører seg mer som en typisk GABAergic agent når overvåket med Bispectral indeks33,53,54 (en av flere tilnærminger brukt electroencephalographically overvåke dybde av anestesi). Derimot gir N2O en mye mindre tydelig electroencephalographic i at det er dårlig, hvis, overvåkes ved hjelp av Bispectral indeks26. Fordi Xe har ulike rapporterte electroencephalographic egenskaper til andre dissosiativ agenter, men har lignende egenskaper til mer vanlig studert GABAergic agenter, har elektrofysiologiske studien potensial til å avsløre viktig funksjoner knyttet til nevrale korrelerer bevissthet og tilsvarende funksjonelle nettverksendringer. Agenter som fungerer på NMDA reseptor er sannsynlig å avsløre mer om hjernen nettverkene subserve normal og endrede bevissthet, gitt den kritiske rollen som NMDA reseptor-mediert aktivitet spiller i læring og hukommelse og dens involvert rolle i en rekke psykiske lidelser med schizofreni og depresjon80.
Denne artikkelen fokuserer primært på den krevende og komplekst datainnsamling prosedyren tilknyttet leveringen av gass anesthetic agenter i et ikke-sykehusmiljø mens den samtidig tar MEG og EEG. Eksempeldataene tilbys illustrerer at Hi-Fi opptak kan fås med minimal head bevegelse og grunnleggende dataanalyse på sensoren nivå markeres. Mange potensielle metodene for påfølgende kilde tenkelig og/eller funksjonelle tilkobling analyse som skulle utføres vanligvis bruke denne type data er ikke beskrevet, som disse metodene er også beskrevet i litteraturen og viser ulike alternativer for analyse55,56.

<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

Anestesi gir uten tvil en av bare systematiske måter å studere nevrale korrelerer global bevissthet/bevisstløshet. Men hittil mest neuroimaging eller nevrofysiologiske undersøkelser hos mennesker har vært begrenset til studiet av γ-Amino-Butyric-Acid-(GABA)-receptor-agonist-based bedøvelse, mens effekten av dissosiativ N-Methyl-D-Aspartate-(NMDA)- reseptor-antagonist-baserte anesthetics Ketamin, lystgass (N2O) og xenon (Xe) er hovedsakelig ubekjent. Dette dokumentet beskriver metodene underliggende samtidig opptak av magnetoencephalography (MEG) og Elektroencefalogram (EEG) fra friske menn under innånding av gass anesthetic agenter N2O og Xe. Kombinere MEG og EEG gjør vurdering av elektromagnetisk hjerneaktiviteten under anestesi på høyt timelige og moderat romlig, oppløsning. Her beskriver vi en detaljert protokoll, raffinert over flere innspillingene, som inneholder emnet rekruttering, anestesi utstyr oppsett i MEG skanner rommet, datainnsamling og grunnleggende dataanalyse. I denne protokollen er hver deltaker utsatt for varierende Xe og N2O i gjentatte measures krysset design. Etter relevante planlagte innspillinger deltakere er utsatt til trinnvis øke inspirert konsentrasjoner av Xe og N2O 8, 16, 24 og 42%, 16, 32 og 47% henholdsvis der deres plan flate av responsiveness spores en auditivt kontinuerlig ytelse oppgave (aCPT). Resultatene blir presentert for en rekke innspillinger til å markere sensor-nivå egenskaper for rådata, spectral topografi, minimering av bevegelser av hodet og utvetydig nivå avhengige effekter på auditory vakte svarene. Dette paradigmet beskriver en generell tilnærming til innspillingen av elektromagnetiske signaler forbundet med handlingen av forskjellige typer anestesigasser, som lett kan tilpasses for bruk med flyktige og intravenøs anestesi agenter. Det forventes at metoden skissert kan bidra til forståelsen av makro-skala mekanismer for anestesi ved å aktivere metodologiske utvidelser kildekode space imaging og funksjonelle nettverk analyse.

Denne delen bruker data fra et emne for å vise de typiske egenskapene til samtidig opptak og potensialet av slik informasjon å bidra en bedre forståelse av bedøvelse indusert forandret bevissthetstilstander. To simplify the exposition, results are shown for i) recordings of the post-anti-emetic administration baseline (baseline 3), ii) 0.75 equi-MAC-awake peak gas concentrations (level 3) of N2O (47%) and Xe (24%), and iii) Xe peak gas concentration of 42% ( nivå 4). Nivå...

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

Samtidig magnetoencephalography og Elektroencefalogram gir en nyttig verktøyet søker etter vanlige og tydelig makro skala mekanismer for reduksjoner i bevisstheten av ulike bedøvelse. Denne artikkelen illustrerer de empiriske metodene underliggende innspillingen av data fra friske mennesker under N-Methyl-D-Aspartate-(NMDA)-receptor-antagonist-based anestesi under inhalasjonen lystgass og xenon.

Innspilling hjernen elektromagnetisk aktivitet av gass Anesthetic agenter Xenon og salpeterholdig oksid i friske frivillige

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

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

Morfometriske Analyser av netthinnens Seksjoner

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

Optisk registrering av suprathreshold nevrale aktiviteten med encellede og single-spike oppløsning

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

Mikrodialyse av etanol under operant etanol selvadministrering og etanol Bestemmelse med gasskromatografi

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-enheten opptaket Metoder for å karakterisere nevrale aktiviteten i Locust (<em&gt; Schistocerca Americana</em&gt;) Olfactory kretser

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

Innspilling elektriske aktiviteten fra Identifiserte Nerveceller i Intakt Norgesmester Transgenic 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

Elektro opptak i hjernen til Intakt Adult Sebrafisk

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

Samtidig Elektro Opptak og Micro-injeksjoner av hemmende midler i gnager Brain

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

Opptak Temperatur-indusert neuronal aktivitet gjennom Overvåking Kalsium endringer i luktelappen av<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

Innspillingen synaptiske plastisitet i akutt hippocampus skiver vedlikeholdes i en liten volum resirkulering-, perfusjon og neddykking-type 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 ...