Anestetikum způsobuje bezvědomí vytvořením mozkového chaosu

Vědci přišli na to, jak běžně používané celkové anestetikum vyvolává bezvědomí tím, že způsobuje, že mozková aktivita se stává stále nestabilnější. Zjištění by mohla vést k lepší kontrole anestetik na operačním sále a léčbě stavů, jako je deprese a schizofrenie.

Úroveň vědomí pacienta je ve zdravotnictví velmi důležitá a někdy je považována za vitální znak indikující zdravotní nebo neurologický stav pacienta. Jedním z prostředí, kde je bezvědomí kritické, je operační sál, kde se používá celková anestetika, aby se zajistilo, že pacient nebude cítit bolest a zůstane v klidu.

Denně podstupují stovky tisíc lidí celkovou anestezii a široce se používá propofol, anestetikum a sedativum. Zatímco účinky propofolu jsou dobře známy, jak to způsobuje bezvědomí, nebylo. Nová studie vědců z MIT však poskytla odpovědi tím, že zkoumala účinek, který má propofol na aktivitu neuronů.

„Mozek musí operovat na hraně tohoto nože mezi vzrušivostí a chaosem,“ řekl Earl Miller, profesor neurovědy na Picowerově institutu pro učení a paměť MIT a spoluautor studie. „Musí být dostatečně vzrušivý, aby se jeho neurony vzájemně ovlivňovaly, ale pokud se stane příliš vzrušivým, promění se v chaos.“ Zdá se, že propofol narušuje mechanismy, které udržují mozek v tomto úzkém provozním rozsahu.

Mnoho teorií vědomí se zaměřuje na síťovou strukturu mozku, která integruje informace a spojuje různé části orgánu. Jedna prominentní teorie naznačuje, že vědomí pochází ze „zapálení“, což je vstup, který produkuje pulsy aktivity – neboli špičky – v celém mozku. Zde vědci předpokládali, že kritickým faktorem vědomí je koncept „dynamické stability“, provozního rozsahu mozku, o kterém Miller hovořil, a že propofol a možná i další anestetika narušují tuto stabilitu.

Měření dynamické stability, když někdo vstoupí do bezvědomí, by umožnilo výzkumníkům určit, zda nevědomý stav vyplývá z příliš velké nebo příliš malé stability. Jinými slovy, způsobuje celkové anestetikum, že se mozek stává příliš stabilním a nereaguje, což způsobuje bezvědomí, nebo je bezvědomí způsobené anestetikem způsobeno stavem nadměrného vzrušení a chaosu? Předchozí studie přinesly protichůdné výsledky, přičemž někteří tvrdili, že anestetika způsobují stabilitu a někteří tvrdí, že chaos.

Vědci podávali zvířatům infuzi propofolu po dobu jedné hodiny a během této doby postupně ztrácela vědomí. Byla zaznamenána a analyzována elektrická aktivita ve čtyřech oblastech mozku zapojených do zraku, zpracování zvuku, prostorového vnímání a výkonných funkcí. K rekonstrukci celkové mozkové aktivity z jejich částečných pozorování dat použili vědci techniku ​​zvanou delay embedding pomocí Takensova teorému.

Nyní se tato věta používá v oboru matematiky nazývaném teorie dynamických systémů, která sama o sobě vyžaduje nějakou náročnou matematiku, takže ji uvedu co nejjednodušší. Takensův teorém o vložení zpoždění umožňuje vyměnit čas (částečná pozorování dat) za prostor (úplný atraktor systému) pro charakterizaci nelineárního dynamického systému. „Atraktor“ je stav nebo chování, ke kterému má dynamický systém tendenci se vyvíjet, bez ohledu na jeho výchozí podmínky.

V bdělém mozku se nervová aktivita po jakémkoliv vstupu prudce zvýší, než se vrátí na svou základní úroveň aktivity. Vědci však pozorovali, že jakmile se začal podávat propofol, mozkům zvířat trvalo déle, než se vrátily na výchozí hodnotu po vstupech, jako jsou zvuky, a zůstaly v přebuzeném stavu. Účinek byl stále výraznější, dokud zvířata neztratila vědomí, což naznačuje, že propofol inhibuje neuronální aktivitu, což vede k rostoucí nestabilitě a případnému bezvědomí.

Vědci pak tento efekt replikovali pomocí výpočetního modelu neuronové sítě.

„Podívali jsme se na jednoduchý obvodový model propojených neuronů, a když jsme v něm objevili inhibici, viděli jsme destabilizaci,“ řekl Adam Eisen, postgraduální student MIT a hlavní autor studie. „Takže jednou z věcí, které navrhujeme, je, že zvýšení inhibice může způsobit nestabilitu, která je následně spojena se ztrátou vědomí.“

Pokud si myslíte, že to zní neintuitivně, je to tak.

„K tomuto paradoxnímu efektu, kdy posílení inhibice síť spíše destabilizuje než umlčí nebo stabilizuje, dochází v důsledku dezinhibice,“ vysvětluje Ila Fiete, profesor mozkových a kognitivních věd a další odpovídající autor studie. „Když propofol zesílí inhibiční pohon, tento pohon inhibuje další inhibiční neurony a výsledkem je celkové zvýšení mozkové aktivity.“

Propofol působí na jeden typ neuronu a receptoru, zatímco jiná anestetika působí na jiné typy. Vědci v současné době zkoumají, zda jiná anestetika dosahují stejného účinku různými prostředky.

„Pokud najdete společné mechanismy fungující u různých anestetik, můžete je všechny učinit bezpečnějšími vyladěním několika knoflíků, místo abyste museli vyvíjet bezpečnostní protokoly pro všechna různá anestetika jeden po druhém,“ řekl Miller. „Nechcete jiný systém pro každé anestetikum, které budou používat na operačním sále.“ Chceš někoho, kdo to všechno zvládne.“

Vědci také plánují použít svou metodu dynamického měření stability na další mozkové stavy, včetně neuropsychiatrických poruch.

„Tato metoda je docela účinná a myslím, že bude velmi vzrušující ji aplikovat na různé stavy mozku, různé typy anestetik a také další neuropsychiatrické stavy, jako je deprese a schizofrenie,“ řekl Fiete.

Studie byla publikována v časopise Neuron.

Zdroj: MIT