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

Författarna vill tacka Mahla Cameron Bradley, Rachel Anne Batty och Johanna Stephens för värdefull teknisk assistans med MEG datainsamling. Tack utvidgas dessutom till Dr Steven Mcguigan för stöd som en andra anestesiolog. Paige Pappas gav ovärderlig narkos sjuksköterska tillsyn. Markus Stone erbjudna nådigt sin tid och expertis i redigering och filmning protokollet. Dr. Suresh Muthukumaraswamy gav specifika råd om dataanalys och tolkning av resultat. Slutligen, Jarrod Gott bidrog många en stimulerande diskussion, hjälpte i utförandet av ett antal pilotförsök och var central i utformningen av skum huvud stag.
Denna forskning stöds av James S. McDonnell collaborative bidrag #220020419 ”rekonstruera medvetande” tilldelas George Mashour, Michael Avidan, Max Kelz och David Liley.

En studie med titeln ”effekter av inhalerade Xe och N2O på hjärnans aktivitet registreras med EEG och MEG” godkändes (godkännandenummer: 260/12) av Alfred Hospital och Swinburne University of Technology etikkommittén och uppfyllde kraven i nationella Uttalande om etiskt uppförande i mänsklig forskning (2007).
1. deltagare urval och förstudie krav
<ol><li>Genomföra en intervju för att välja friska, högerhänt, vuxna män mellan 20 och 40 år gamla.<ol>
<li>Bekräfta...

Detta papper har utarbetat ett omfattande protokoll för samtidig inspelning av MEG och EEG under narkos gas leverans med N2O och Xe. Sådant protokoll kommer att vara värdefullt för att studera de elektromagnetiska neurala korrelat av bedövningsmedel-inducerad minskningar i medvetande. Protokollet förväntas också att generalisera till leverans av andra narkosgaser som sevofluran och isofluran. Detta kommer att underlätta en större förståelse för de gemensamma, specifika och distinkt makroskopiska m...

Det finns bra samförstånd mellan preklinisk och klinisk neurovetenskaplig bevis som tyder på att fenomen av mänskliga medvetandet är beroende av integriteten i explicit neurala kretsar. Observationen att sådana kretsar systematiskt påverkas av nedstigningen in i medvetslöshet har styrkt behovet av neuroimaging-tekniker för att utnyttjas under anestesi och aktivera 'navigera' Sök efter de neurala korrelat till medvetande. Möjligen med undantag av sömn, anestesi representerar den enda metoden med vilken man kan, i en kontrollerad, reversibel och reproducerbara mode, stör, och således dissekera, de mekanismer som sub betjäna medvetande, särskilt vid makroskopisk skala globala hjärnan dynamics. Kliniskt, narkos kan definieras som ett tillstånd av hypnos/medvetslöshet, orörlighet och analgesi och förblir en av de mest rikligt används och säkraste medicinska interventioner. Trots den tydlighet och effektivitet i slutresultatet fortfarande finns det stor osäkerhet kring verkningsmekanismer av olika typer av agenter ger upphov till narkos inducerad medvetslöshet1.
Bedövningsmedel kan delas in i intravenös agenter särskilt propofol och barbiturater eller volatile/gasformiga ämnen såsom sevofluran, isofluran, lustgas (N2O) och xenon (Xe). Farmakologi av anestesi har varit väl etablerade med flera cellulära mål identifieras som länkade till narkos handling. De flesta agenter studerade datum lagen främst via agonism av γ-Amino-Butyric-Acid-(GABA) receptor medierad aktivitet. I kontrast, den dissociativa agenter ketamin, tros Xe och N2O utöva sina effekter genom att främst rikta N-Methyl-D-Aspartate-(NMDA) glutamatergic receptorer2,3. Andra viktiga farmakologiska mål inkluderar kaliumkanaler, acetylkolinreceptorer och kvarleva glutamatreceptorer, AMPA och kainate, men omfattningen av deras bidrag till narkos åtgärd förblir svårfångade (för en omfattande översyn, se ( 4).
Omfattningen av variabilitet i verkningsmekanismen och de observerade fysiologiska och neurala effekterna av olika typer av agenter återger härledningen av allmänna slutsatser om deras inflytande på medveten bearbetning svårt. Medvetslöshet (LOC) induceras av GABAergic agenter kännetecknas vanligtvis av en global förändring i hjärnans aktivitet. Detta är tydligt i uppkomsten av hög amplitud, lågfrekventa delta (δ, 0.5-4 Hz) vågor och minskningen i hög frekvens, gamma (γ, 35-45Hz) aktivitet i elektroencefalogram (EEG), liknar slow wave sleep5,6 samt de omfattande minskningarna av cerebrala blod flöde och glukos metabolism5,6,7,8,9,10,11,12 . Boveroux et al. 13 till sådana observationer genom att påvisa en signifikant minskning i vilande tillstånd funktionella anslutning under propofol anestesi med funktionell magnetkamera (fMRI). Däremot dissociativa anestetika ger en mindre tydliga profil av effekter på hjärnans aktivitet. I vissa fall är de associerade med ökningar i cerebrala blod flöde och glukos metabolism14,15,16,17,18,19, 20,21 medan studier av Rex och kollegor22 och Laitio och kollegor23,24 tittar på effekterna av Xe som bevis för både ökat och minskat hjärnan verksamhet. En liknande oegentlighet kan ses i effekterna på EEG signaler25,26,27,28. Johnson et al. 29 visade en ökning av total makt låg frekvens band delta och theta såväl som i högre frekvens band gamma i en hög densitet EEG studie av Xe anestesi medan motsatta observationer gjordes för N2O i deltat, theta och alpha frekvens band30,31 och för Xe i de högre frekvenserna32. Sådan variation i effekterna av Xe på aktiviteten elektriska hårbotten kan observeras i alfa och beta frekvensområden med både ökar också33 och minskningar34 rapporteras.
Trots de skillnader som nämns ovan, börjar bilden bli mer konsekvent över ombud när man försöker titta på förändringar i funktionella anslutningen mellan områden i hjärnan. Sådana åtgärder har dock huvudsakligen begränsad till modaliteter som nödvändigtvis gör medgivanden avseende antingen rumsliga eller temporal upplösning. Medan studier med hjälp av EEGEN verkar avslöjar tydligt och till viss del konsekvent, förändringar i den topologiska strukturen av funktionella nätverk under narkos/sedering med propofol35, sevofluran36 och N2O37, den brett placerade nivå EEG sensordata har otillräcklig rumslig upplösning meaningfully definiera och avgränsa hörnen i de motsvarande funktionella nätverk. Omvänt, studier utnyttjar den överlägsna rumsliga upplösningen av fMRI och positronemissionstomografi (PET), hitta liknande topologiska förändringar i storskaliga funktionella anslutningsmöjligheter med EEG13,38,39 ,40,41, men besitter tillräcklig temporal upplösning att karakterisera fas-amplitud koppling i alfa (8-13 Hz) EEG bandet och andra dynamiska fenomen som växer fram som viktiga signaturer av bedövningsmedel åtgärd12,42. Dessutom utvärderar dessa åtgärder inte direkt elektromagnetisk neural aktivitet43.
Därför, för att för meaningfully förståelsen av makroskopiska processer i samband med åtgärden av anestetika, begränsningar i de tidigare nämnda utredningarna behöver åtgärdas; begränsad täckning av bedövningsmedel och otillräcklig plats och tid upplösningen av de icke-invasiva mätningarna. På grundval av detta författarna beskriver en metod för att samtidigt spela in magnetoencephalogram (MEG) och EEG aktivitet hos friska frivilliga som har utvecklats för administrationen av de gasformiga disassociativt bedövningsmedel, Xe och N2O.
MEG utnyttjas som det är bara icke-invasiva neurofysiologiska teknik än EEGEN som har en temporal upplösning i millisekunden spänna. EEG har problemet med oskärpa av elektriska fält av skallen, som fungerar som ett lågpassfilter på cortically genererade aktivitet, medan MEG är mycket mindre känsliga för denna fråga och frågan om volym överledning44. Det kan hävdas att MEG har högre spatial och källa lokalisering noggrannhet än EEG 45,46. EEG tillåter inte sant referens-gratis inspelning37,47, men MEG gör. MEG system också normalt registrera kortikal aktivitet i ett mycket bredare frekvensomfång än EEG, inklusive höga gamma48(typiskt 70-90 Hz), vilket har föreslagits att delta i hypnotiska effekterna av bedövningsmedel inklusive Xe29 och N 2 O28. MEG erbjuder neurofysiologisk verksamhet som komplimanger som förmedlas av EEG, som EEG verksamhet avser extracellulära elektriska strömmar medan MEG speglar främst de magnetiska fält genereras av intracellulära strömmar46, 49. vidare MEG är särskilt känslig för elektrofysiologiska aktivitet tangentiell till cortex, medan EEG mestadels registrerar extracellulära aktivitet radiella till cortex49. Därmed kombinera MEG och EEG data har Super additiv fördelar50.
De gasformiga dissociativa agenter Xe och N2O har valts för följande princip: de är luktfri (Xe) eller i huvudsak luktfri (N2O) och kan därmed enkelt utnyttjas i närvaro av villkor för kontroll när anställd vid subkliniska koncentrationer. Dessutom, är de väl lämpade för fjärradministration och övervakning i laboratoriemiljö på grund av sin svaga cardio-respiratory depressiva effekter61. Xenon och till en lesser grad N2O, behålla en relativt låg minst-alveolar - koncentration-(MAC)-vaken vid vilken 50% av patienterna svarar på ett verbalt kommando med värden på 32,6 ± 6,1%51 och 63,3 + - 7,1%52 respektive. Trots Xe och N2O både att vara NMDA-receptorantagonister, de modulera EEGEN annorlunda - Xe verkar bete sig mer som en typisk GABAergic agent när övervakas med hjälp av Bispectral Index33,53,54 (en av flera metoder används för att övervaka electroencephalographically djup anestesi). Däremot ger N2O en mycket mindre uppenbart elektroencefalografiska effekt i att det är dåligt, om alls, övervakas med hjälp av den Bispectral Index26. Eftersom Xe har olika rapporterade elektroencefalografiska egenskaper till andra dissociativa agenter, men besitter liknande egenskaper som mer allmänt studerade GABAergic agenter, har dess Elektrofysiologisk studie potential att avslöja viktiga funktioner som avser de neurala korrelat till medvetande och motsvarande funktionella nätverk förändringar. Agenter som agerar på NMDA-receptorn är benägna att avslöja mer om hjärnans nätverk som subserve normala och förändrat medvetande, med tanke på den kritiska roll som NMDA receptor medierad aktivitet spelar i lärande och minne och dess inblandad roll i en rad psykiatriska sjukdomar som schizofreni och depression80.
Denna uppsats fokuserar främst på den krävande och komplexa data insamling förfarande med leverans av gasformiga bedövningsmedel i icke-sjukhusmiljö medan samtidigt inspelning MEG och EEG. Grundläggande dataanalys på sensorn nivå beskrivs och exempeldata tillhandahålls som illustrerar att HiFi-inspelningar kan erhållas med minimal huvudrörelser. De många potentiella metoderna för efterföljande källa imaging och/eller funktionella anslutningsmöjligheter analys som skulle utföras normalt använda denna typ av data beskrivs inte, eftersom dessa metoder är väl beskriven i litteraturen och visar olika alternativ för analys55,56.

<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 otvivelaktigt ger ett endast systematiska sätt att studera de neurala korrelat till globala medvetandet/medvetslöshet. Men hittills har de flesta neuroradiologiska eller neurofysiologiska undersökningar på människa har varit begränsad till studier av γ-Amino-Butyric-Acid-(GABA)-receptor-agonist-based bedövningsmedel, medan effekterna av dissociativa N-Methyl-D-Aspartate-(NMDA)- receptor-antagonist-baserade anestetika ketamin, lustgas (N2O) och xenon (Xe) är till stor del okända. Detta dokument beskriver de metoder som underliggande samtidig inspelning av Magnetencefalografi (MEG) och elektroencefalografi (EEG) från friska män under inandning av gasformiga bedövningsmedel N2O och Xe. Att kombinera MEG och EEG data möjliggör bedömning av elektromagnetiska hjärnaktivitet vid anestesi vid höga temporala och måttlig rumslig, upplösning. Här beskriver vi ett detaljerat protokoll, raffinerad över flera inspelningarna, som innehåller ämnet rekrytering, anestesi utrustning setup i MEG scanner rummet, datainsamling och analys av grundläggande data. I detta protokoll utsätts varje deltagare för olika nivåer av Xe och N2O i upprepade mätningar cross-over design. Efter relevanta baslinjen inspelningar deltagarna utsätts till överläggsgrafer ökande inspirerade koncentrationer av Xe och N2O 8, 16, 24 och 42%, och 16, 32 och 47% respektive under vilken deras nivå av lyhördhet spåras med en auditiv kontinuerlig prestanda uppgift (aCPT). Resultaten presenteras för ett antal inspelningar för att markera egenskaperna sensor-nivå av rådata, spektrala topografin, minimering av huvudrörelser och otvetydiga nivå beror effekterna på auditory evoked svaren. Detta paradigm beskriver en generell strategi för inspelningen av elektromagnetiska signaler som associeras med åtgärden av olika typer av gasformiga anestetika, som lätt kan anpassas för att användas med flyktiga och intravenöst bedövningsmedel. Det förväntas att den metod som anges kan bidra till förståelsen av anestesi makronivå mekanismer genom aktivering av metodiska tillägg source space imaging och funktionella nätverksanalys.

Detta avsnitt använder data som erhållits från ett ämne för att demonstrera typiskt för de samtidiga inspelningarna och potential av sådan information att bidra en bättre förståelse av bedövningsmedel inducerad förändrat medvetandetillstånd. För att förenkla utläggningen, resultaten redovisas för i) inspelningar av post-anti-kräkmedel administration baslinjen (baslinje 3), ii) 0,75 equi-MAC-vaken peak koncentrationerna (nivå 3) av N2O (47%) och Xe (24%) och ...

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

Samtidiga Magnetencefalografi och elektroencefalografi ger ett användbart verktyg för att söka efter gemensamma och skilda makronivå mekanismer av minskningar i medvetandet som induceras av olika bedövningsmedel. Detta papper visar de empiriska metoder som ligger bakom inspelningen av sådana uppgifter från sunda människor under N-Methyl-D-Aspartate-(NMDA)-receptor-antagonist-based anestesi under inandning av lustgas och xenon.

Inspelning elektromagnetisk hjärnaktivitet under administreringen av den gasformiga bedövningsmedel Xenon och Nitrous Oxide hos friska frivilliga

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

Bedömning av ultraljud vocalizations Under Drug Self-råttor

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

Morfometriska Analyser av näthinnans avsnitt

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 inspelning av suprathreshold neural aktivitet med encelliga och single-spik upplösning

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

Mikrodialys av etanol under operant etanol självadministrering och etanol bestämning med gaskromatografi

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-enhet inspelning Metoder för att karaktärisera neural aktivitet i Locust (<em&gt; Schistocerca Americana</em&gt;) Olfactory kretsar

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

Inspelning elektrisk aktivitet från Identifierade nervceller i den intakta hjärnan av transgen fisk

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

Elektrofysiologiska inspelning i hjärnan i Intact vuxna zebrafisk

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 elektrofysiologiska inspelning och Micro-injektioner av hämmande medel i Gnagare 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

Inspelning Temperatur-inducerad neuronal aktivitet genom att övervaka Kalcium Förändringar i luktbulben 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

Inspelning synaptisk plasticitet i akut Hippocampus skivor underhålls i en små volymer återvinning - Perfusion- och nedsänkning-typ kammaresystem

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