Různé anestetika, stejný výsledek: ztráta vědomí posunem fáze mozkových vln

Ketamin a dexmedetomidin fungují na úrovni molekul a buněk velmi odlišně, ale v operačním sále dělají přesně totéž: uspávají pacienta. Nová studie na zvířatech provedená neurovědci z Picower Institute for Learning and Memory na MIT ukazuje, jak tyto odlišné léky dosahují stejného výsledku, a identifikuje potenciální signaturu bezvědomí, která je snadno měřitelná a může zlepšit anesteziologickou péči.

Vědci zjistili, že obě léky mají společné to, jak ovlivňují mozkové vlny, které jsou generovány kolektivní elektrickou aktivitou neuronů. Když jsou mozkové vlny ve fázi, což znamená, že vrcholy a údolí vln jsou sladěny, mohou si místní skupiny neuronů v mozkové kůře vyměňovat informace a produkovat vědomé kognitivní funkce, jako je pozornost, vnímání a uvažování, říká profesor Picower Institutu Earl K. Miller, hlavní autor nové studie publikované v časopise Cell Reports. Když mozkové vlny ztratí synchronizaci, místní komunikace a tím i funkce se rozpadají, což vede k bezvědomí.

Tento objev, vedený postgraduální studentkou Alexandrou Bardonovou, nejenže rozšiřuje znalosti vědců o dělicí čáře mezi vědomím a bezvědomím, říká Miller, ale také by mohl poskytnout anesteziologům, kteří používají různá anestetika k udržení pacientů v požadovaném stavu během operace, společné nové měřítko.

„Pokud se podíváte na to, jak se fáze posouvá v našich záznamech, sotva poznáte, o jaký lék se jedná,“ říká Miller, člen fakulty Picower Institutu a MIT's Department of Brain and Cognitive Sciences. „To je pro lékařskou praxi cenné. Navíc, pokud má bezvědomí univerzální signaturu, mohlo by to také odhalit mechanismy, které generují vědomí.“

Pokud se ukáže, že i další anestetika ovlivňují fázi stejným způsobem, anesteziologové by mohli být schopni použít sladění fáze mozkových vln jako spolehlivý ukazatel bezvědomí při titraci dávek anestetik, říká Miller, bez ohledu na konkrétní kombinaci léků, které používají. Tento poznatek by mohl pomoci při budování systémů s uzavřenou smyčkou, které by mohly anesteziologům pomáhat neustálým nastavením dávky léku na základě měření mozkových vln pacienta.

Miller spolupracuje s autorem studie Emeryem N. Brownem, anesteziologem a profesorem výpočetní neurovědy a medicínského inženýrství na Picower Institutu, na budování takového systému. V nedávné klinické studii s kolegy v Japonsku Brown prokázal, že monitorování signálů výkonu mozkových vln pomocí EEG umožnilo anesteziologovi použít mnohem méně sevofluranu během operace u malých dětí. Snížené dávky se ukázaly jako bezpečné a byly spojeny s mnoha zlepšenými klinickými výsledky, včetně sníženého výskytu pooperační delirium.

Fázové nálezy

Neurovědci studující anestezii věnovali fázi jen zřídka pozornost, ale v nové studii Bardon, Brown a Millerův tým se na ni zaměřil, když uspávali dvě zvířata.

Poté, co zvířata ztratila vědomí, měření ukázala podstatné zvýšení „fázového zamykání“, zejména na nízkých frekvencích. Fázové zamykání znamená, že relativní rozdíly ve fázi zůstaly stabilnější. Ale co vědce zaujalo, byly rozdíly, které se zafixovaly: v každé hemisféře, bez ohledu na to, jaké anestetikum použili, se fáze mozkových vln nesynchronizovala mezi dorsolaterálními a ventrolaterálními oblastmi prefrontální kůry.

Překvapivě se fáze mozkových vln mezi hemisférami více synchronizovala, ne méně. Miller však poznamenává, že to je stále velký posun od vědomého stavu, ve kterém nejsou mozkové hemisféry obvykle dobře sladěny, takže zjištění je dalším indikátorem toho, že velké změny fázového sladění, i když různými způsoby na různých vzdálenostech, jsou korelátem bezvědomí ve srovnání s bdělým stavem.

„Zvýšení mezikorové synchronizace aktivity anestetiky se zdá zvrátit vzor pozorovaný u bdělého, kognitivně angažovaného mozku,“ napsali Bardon a Millerův tým v časopise Cell Reports.

Určeno vzdáleností

Vzdálenost se ukázala být hlavním faktorem určujícím změnu fázového sladění. I napříč 2,5 milimetry jedné elektrody se nízkofrekvenční vlny posunuly o 20-30 stupňů mimo sladění. Napříč 20 milimetry mezi poli v horní (dorsolaterální) a dolní (ventrolaterální) oblasti v rámci jedné hemisféry by to znamenalo zhruba 180stupňový posun v fázovém sladění, což je úplný posun vln.

Závislost na vzdálenosti je v souladu s myšlenkou vln putujících napříč kortexem, říká Miller. Ve skutečnosti v roce 2022 Miller a Brownova laboratoř ukázaly, že anestetikum propofol vyvolalo silnou nízkofrekvenční putující vlnu, která se převalila napříč kortexem a přemohla vyšší frekvenční přímé a rotující vlny.

Nové výsledky otevírají mnoho příležitostí pro následné studie, říká Miller. Vyvolává propofol také tuto signaturu změněného fázového sladění? Jakou roli hrají putující vlny v tomto jevu? A vzhledem k tomu, že spánek je také charakterizován zvýšeným výkonem v nízkofrekvenčních vlnách, ale rozhodně není stejný stav jako anestezií vyvolané bezvědomí, mohlo by fázové sladění vysvětlit rozdíl?

Kromě Bardonové, Browna a Millera jsou dalšími autory článku Jesus Ballesteros, Scott Brincat, Jefferson Roy, Meredith Mahnke a Yumiko Ishizawa.

Výzkum podpořily U.S. Department of Energy, National Institutes of Health, Simons Center for the Social Brain, Freedom Together Foundation a Picower Institute.