不同全身麻醉药物的脑电特征研究进展

2021
05/11

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古麻今醉
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全身麻醉是一种药物诱导的可逆的觉醒状态的改变,在中枢神经系统有不同的作用靶点,引发相应的脑功能改变,表现出不同的脑电特征。麻醉医师可以结合原始和后处理EEG对镇静深度做出综合判断。


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【综述】

全身麻醉药物是作用于中枢神经系统,可逆性地引起意识、感觉和反射消失的药物。麻醉药物的作用机制不同,诱导意识状态的改变呈剂量依赖性,这种状态在脑电图(electroencephalography, EEG)中可以被探测到(如α振荡、慢波振荡及爆发抑制等)。对麻醉过程中采集的原始EEG进行时域分析,以频谱图呈现可以直观反映大脑的变化。关于麻醉导致意识消失的神经关联相关研究证实,大脑有效的区域间连接、意识网络拓扑结构和区域间相互作用的时空动力学在麻醉过程中发生了动态的改变。本文将介绍常用静脉麻醉药、吸入麻醉药引起的脑神经电生理及功能变化。


 

1 丙泊酚

     

1.1 丙泊酚的神经药理学特征

丙泊酚属于γ‑氨基丁酸(γ‑aminobutyric acid, GABA)神经递质激动剂,对中枢抑制性氨基酸受体的作用表现为增强GABA与A型受体之间的反应,介导神经元网络兴奋性降低。同时,丙泊酚能够对兴奋性NMDA受体产生轻度的抑制作用。


1.2 丙泊酚的EEG特征

丙泊酚诱导时EEG特征是慢δ振荡。EEG模式与给药的速度有关:当bolus给药时,EEG在10~30 s内从高频低幅的γ和β振荡(清醒模式)变为高幅慢δ振荡模式,振幅提高5~20倍  。丙泊酚的主要作用靶点是抑制性中间神经元突触的GABAA受体,迅速作用于脑干和下丘脑的主要觉醒中枢,抑制脑干的兴奋性信号输入,促进皮质的超极化,诱发出慢δ振荡EEG(图1Ⓑ、图1Ⓒ) 。bolus给药易出现爆发抑制(深度脑失活状态)——EEG显示周期电活动与等电位或零电位交替出现,谱图表现为垂直竖线。维持阶段演变为慢波δ和α振荡组合模式,α振荡与脑前部高度相关 。空间相干的α振荡限制了额叶‑皮质回路的交流,介导无意识状态 。停药后慢波δ和α振荡组合模式消散,被β和γ振荡取代,表现为“拉开拉链”模式(图1Ⓒ)。前向化逆转,同时前后相关的额部α振荡消失,枕部α振荡恢复(图1Ⓓ)。丙泊酚麻醉恢复期出现欣快感和兴奋性表现时有类似β振荡模式(兴奋时的EEG表现),造成“反常”兴奋的机制:减少从苍白球到丘脑的抑制性信号输入,导致丘脑到皮质的兴奋性输入增加;低剂量丙泊酚可暂时阻滞皮质神经元中的缓慢钾电流 。

 

1.3 丙泊酚引起的脑功能改变

麻醉药物可以降低大脑之间连接的复杂性,而神经系统的复杂性是大脑维持意识的必要条件。丙泊酚麻醉时,额叶和顶叶经颅磁刺激诱发低幅慢波,且复杂性较低 。丙泊酚引起颞叶脑区的网络内和网络间的连接改变,连接不紧密的脑区的连接模式复杂性显著降低 ,进而阻止低阶感觉皮质和高阶额顶叶皮质的交流。丙泊酚诱导的意识丧失与局部效率的提高有关,在顶叶区域以及后顶叶中枢活动障碍 ,将全脑信息沟通模式的灵活性下调。信息整合效率降低被认为是丙泊酚诱发无意识的核心网络特征 。


 

2 氯胺酮

     

2.1 氯胺酮的神经药理学特征

抑制兴奋性神经递质与NMDA受体相互作用,还通过超极化激活的环核苷酸门控通道(hyperpolarization activated cyclic nucleotide gated channels, HCN)‑1发挥作用 。低剂量的氯胺酮通过阻断抑制性中间神经元的输入可使下游兴奋性神经元不受抑制或更活跃 ,造成信息的处理时空不协调。产生常见的幻觉、解离状态、欣快感和烦躁不安。增加剂量后兴奋性谷氨酸能神经元上的NMDA受体也被阻断,出现意识丧失。


2.2 氯胺酮的EEG特征

不同给药剂量和速度的氯胺酮EEG存在差异。单独低剂量(给氯胺酮30 mg后间隔2 min追加20 mg),EEG显示为25~32 Hz的高频β和低频γ振荡(图2) 。

 

氯胺酮麻醉给药后,额顶叶有效连接中断,特别是大脑前部到后部的连接大幅度降低,并存在剂量依赖效应。定向连接在亚麻醉期间保持相对不变,在麻醉期间显著下降,并在意识恢复时回到基线水平 。麻醉剂量(1.5 mg/kg,持续输注40 min)氯胺酮与θ带宽的功率和功能连接增加明显相关(图3) 。

 

在镇静镇痛基础上(图4Ⓐ)一次性给予200 mg氯胺酮诱导全身麻醉可诱发γ爆发模式,在B和C点之间,能观测到持续γ爆发和β/γ模式(图4) ,其反应受特定频带限制的神经元活动的改变,干扰皮质信息处理,产生一种分离或遗忘的大脑状态。

 

2.3 氯胺酮引起的脑功能改变

基于脑电研究,麻醉剂量和抗抑郁作用的亚麻醉剂量氯胺酮 ,均可导致额顶叶网络连接中断,特别是从大脑前部到后部的连接 。功能核磁检查显示亚麻醉剂量氯胺酮引起静息脑网络内、区域间连接改变,但保持感官和感觉运动网络的连通性 。在楔前叶和颞顶叶交界处的α功率降低,这两个区域参与多感觉整合和身体表征,是氯胺酮诱导的解离性意识状态改变和断开意识的机制 。

 

3 右美托咪定(dexmedetomidine, Dex)

     

3.1 Dex的神经药理学特征

Dex是一种高选择性α2肾上腺素能受体激动剂,用作镇静剂和麻醉辅助药物。可能机制:在突触前阻断从蓝斑投射到基底前脑、下丘脑视前区、丘脑板内核和皮质的神经元释放去甲肾上腺素,导致蓝斑到这些脑区连接的兴奋性缺失,抑制觉醒中心 。


3.2 Dex的EEG特征

Dex的EEG特征为慢δ振荡和纺锤波,纺锤波可能是由皮质和丘脑之间的间歇振荡产生的 。谱图上Dex纺锤波:9~15 Hz的高α和低β波段条带(图5Ⓐ、图5Ⓑ:患者59 kg接受0.65 μg·kg−1·h−1 Dex维持镇静),增加给药速度时(图5Ⓒ、图5Ⓓ:患者65 kg接受0.85 μg·kg−1·h−1 Dex维持镇静)EEG示慢δ振荡 。Dex相关的时空EEG动态:整个皮质的慢δ波增强,枕部θ波增强,前额中部的纺锤波增强。整个皮质的β波减弱,全相干θ波振荡和纺锤波 。

 

3.3 Dex引起的脑功能改变

脑静息状态功能核磁发现在高阶意识网络中Dex减少了网络内和丘脑连接,并保留低阶感觉网络;与睡眠或丙泊酚镇静相比,Dex能更好地保持丘脑、前扣带皮质和中皮质之间的功能连接 。从拓扑学的角度看,Dex降低了局部和全局的大范围网络效率和连通性强度,但不影响节点强度 。


4 常用吸入麻醉药

4.1 吸入麻醉药的神经药理学特征

吸入麻醉药通过与中枢神经系统的多个靶点结合产生效应:与GABAA受体结合,增强GABA能抑制;封闭双孔钾通道和HCN;与NMDA受体结合来阻断谷氨酸的释放。


4.2 七氟醚、异氟醚和地氟醚的EEG特征

和丙泊酚相似,醚类诱发无意识与大振幅慢脉冲振荡以及相干振荡相关,推测主要机制是增强的GABA能抑制性突触后电流。亚MAC浓度七氟醚EEG显示慢δ振荡和与丙泊酚类似的相干脉冲振荡(图6Ⓐ),不同的表现是连续的θ振荡(图6Ⓒ),这可能反映了其非GABA能机制 。随着年龄的增长,α频率降低,有时会过渡到θ范围(5~7 Hz) 。前向化(从枕部显性觉醒‑振荡向额部麻醉诱导α振荡的转变)代表了大脑的一种中间状态,表现为反应能力下降 。


亚MAC浓度地氟醚和异氟醚也表现出强α波和慢δ振荡。当浓度增加到MAC水平或更高时,在δ和α波段之间存在一个θ振荡。减浅异氟醚和地氟醚麻醉时,θ振荡功率衰减,然后α和慢δ振荡功率衰减,最后是β和γ条带再现(图6Ⓔ、Ⓖ)。地氟醚能明显抑制EEG活动,1.24 MAC及更高的浓度诱发明显的爆发抑制 。异氟醚麻醉联合硬膜外麻醉时脑电的小波双相干分析,发现异氟醚麻醉在α振荡和δ振荡产生双相干矩阵对角线上的两个峰,以及二者的耦合,α峰随着异氟醚浓度的增加而变缓 。

 

4.3 七氟醚、异氟醚、地氟醚引起的脑功能的改变

麻醉剂量七氟醚降低前、后脑区的有效连通性 ,破坏了高阶静息状态广泛网络的功能连接 ,包括网络内部和之间的中等强度的功能连接,减少了网络间连接模式转换 。七氟醚高频率的相位‑振幅耦合机制导致信息处理过程受损 。地氟醚麻醉的深部脑刺激手术时,微电极监测发现地氟醚能增强低频振荡(4~8 Hz),并产生更高的θ功率 。


5 结论与展望

全身麻醉是一种药物诱导的可逆的觉醒状态的改变,在中枢神经系统有不同的作用靶点,引发相应的脑功能改变,表现出不同的脑电特征。麻醉医师可以结合原始和后处理EEG对镇静深度做出综合判断。根据全身麻醉药物作用和剂量及给药方式的脑电特征,结合智能算法和大数据,可以开发具有药物特性和患者个性的麻醉深度监测方法。麻醉状态EEG研究集中在相干振荡、功能连接和网络分析。神经网络效率的降低和(或)信息传递的代谢物在多种麻醉药物中被发现。深入对全身麻醉的研究将对理解大脑觉醒回路的神经生理学机制提供帮助。


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关键词:
丙泊酚,氯胺酮,异氟醚,药物,特征,麻醉,剂量

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