Анестезия не просто выключает мозг, она меняет его ритмы

Дата публикации: 30 апреля 2021

Ученые выяснили, что анестетик пропофол меняет и контролирует ритмы мозга, - пишет eurekalert.org.

В уникально глубоком и подробном рассмотрении того, как обычно используемый анестетик пропофол вызывает бессознательное состояние, сотрудничество лабораторий Института обучения и памяти Пикауэра при Массачусетском технологическом институте показывает, что по мере того, как лекарство закрепляется в мозге, широкий спектр областей координируется очень медленными ритмами, поддерживающими соразмерно вялый темп нейронной активности. Электрическая стимуляция более глубокой области - таламуса, восстанавливает синхронность нормальных высокочастотных ритмов мозга и уровней активности, пробуждая мозг и восстанавливая возбуждение.

«Существует негласное предположение, что анестезия просто «выключает» мозг, - сказал Эрл Миллер, профессор нейробиологии Пикауэра и соавтор исследования в eLife. - Мы показываем, что пропофол резко меняет и контролирует динамику ритмов мозга».

Сознательные функции, такие как восприятие и познание, зависят от скоординированной связи мозга, в частности, между таламусом и поверхностными областями мозга, или корой, в различных частотных диапазонах от 4 до 100 Гц. Исследование показывает, что пропофол снижает координацию между таламусом и кортикальными слоями до частот около 1 Гц.

Лаборатория Миллера, возглавляемая доктором Андре Бастосом и бывшим аспирантом Джейкобом Донохью, сотрудничала с лабораторией соавтора Эмери Н. Брауна - профессора медицинской инженерии и вычислительной нейробиологии Эдварда Худ Таплина и анестезиолога в Массачусетской больнице общего профиля. Таким образом, сотрудничество в значительной степени объединило опыт лаборатории Миллера в области того, как нейронные ритмы координируют кору головного мозга для обеспечения сознательной функции мозга, с опытом лаборатории Брауна в области нейробиологии анестезии и статистического анализа нейронных сигналов.

Браун сказал, что исследования, показывающие, как анестетики изменяют ритмы мозга, могут напрямую повысить безопасность пациентов, потому что эти ритмы легко видны на ЭЭГ в операционной. Основной вывод исследования, заключающийся в очень медленных ритмах в коре головного мозга, предлагает модель для прямого измерения того, когда субъекты вошли в бессознательное состояние после введения пропофола, насколько глубоко они удерживаются в этом состоянии и как быстро они могут проснуться после окончания приема пропофола.

«Анестезиологи могут использовать это как способ лучше заботиться о пациентах», - сказал Браун.

Браун долгое время изучал влияние на ритмы головного мозга людей под общей анестезией, делая и анализируя измерения ритмов с помощью электродов ЭЭГ кожи головы и, в ограниченной степени, кортикальных электродов у пациентов с эпилепсией. Поскольку новое исследование проводилось на животных моделях этой динамики, команда смогла имплантировать электроды, которые могли напрямую измерять активность или «всплески» многих отдельных нейронов и ритмов в коре и таламусе. Браун сказал, что результаты, таким образом, значительно углубляют и расширяют его выводы на людях.

Например, те же нейроны, которые они измеряли, вибрируя при скачках напряжения 7-10 раз в секунду во время бодрствования, обычно срабатывали только один раз в секунду или меньше во время бессознательного состояния, вызванного пропофолом, - заметное замедление, называемое «состоянием неактивности». В целом, ученые провели подробные одновременные измерения ритмов и спайков в пяти областях: две в передней части коры, две в задней части и в таламусе.

«Что так убедительно, так это то, что мы получаем данные до уровня всплесков, - сказал Браун. - Медленные колебания модулируют пиковую активность в больших частях коры головного мозга».

По словам Миллера, хотя исследование объясняет, как пропофол вызывает бессознательное состояние, оно также помогает объяснить единый опыт сознания.

«Для создания сознания вся кора головного мозга должна находиться на одной странице, - сказал Миллер. - Одна из теорий о том, как это работает, - это таламо-кортикальные петли, которые позволяют коре головного мозга синхронизироваться. Пропофол может нарушать нормальную работу этих петель, гиперсинхронизируя их в длительном неактивном состоянии. Он нарушает способность коры головного мозга общаться».

Например, проводя измерения в отдельных слоях коры головного мозга, команда обнаружила, что более высокочастотные «гамма-ритмы», которые обычно связаны с новой сенсорной информацией, такой как образы и звуки, были особенно уменьшены в поверхностных слоях. Низкочастотные «альфа» и «бета» волны, которые, как показал Миллер, имеют тенденцию регулировать обработку информации, переносимой гамма-ритмами, были особенно уменьшены в более глубоких слоях.

В дополнение к преобладающей синхронности на очень медленных частотах, команда отметила и другие признаки бессознательного в данных. Как Браун и другие наблюдали у людей раньше, мощность альфа- и бета-ритмов была заметно выше в задних областях коры во время бодрствования, но после потери сознания мощность этих ритмов стала намного выше в передних областях.

Команда также показала, что стимуляция таламуса высокочастотным импульсом тока (180 Гц) отменяет эффекты пропофола.

«Стимуляция вызывала состояние коры головного мозга, подобное бодрствованию, за счет увеличения частоты всплесков и уменьшения мощности на низких частотах, - пишут авторы в исследовании. - Во всех областях наблюдалось значительное увеличение пиков во время интервала стимуляции по сравнению с исходным уровнем до стимуляции».

Поделиться: