全身麻醉会降低儿童大脑皮质复杂性?年龄增长与全身麻醉对于儿童神经生理复杂性的影响探究

2022
01/15

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神经系统的复杂性是大脑维持意识的必要条件,而麻醉药物可以降低大脑之间连接的复杂性。

河南省人民医 院  苌恩强 陈怡文 编译  解放军总医院第一医学中心 刘艳虹 审校 4791641596653308

译者按

神经系统的复杂性是大脑维持意识的必要条件,而麻醉药物可以降低大脑之间连接的复杂性。在麻醉诱导、维持和恢复的过程中,大脑皮质复杂性是怎样变化的?发育中的大脑与成熟大脑网络又有着怎样的区别?

全身麻醉作用于中枢神经系统,使得患者意识与痛觉丧失。由于麻醉诱导的意识状态改变能够被脑电图(EEG)探测到(如α振荡、慢波振荡等),所以科学家常通过采集麻醉过程中原始EEG进行分析,得到频谱图来直观的d反应大脑变化。除此以外,皮质的神经生理复杂性(后续简称:皮质复杂性)可以代表神经活动的多样性,并且可以使用数学算法(如Lempel-Ziv复杂度算法)作为大脑活动的时空复杂性的替代度量。目前,在成年人中,麻醉导致的意识水平的变化与大脑皮层的神经生理学复杂性的相关性已经通过Lempel-Ziv算法的变化被分析证实。

但在儿童群体中,由于发育中的大脑会经历很大的结构和功能变化,其大脑皮层的振荡模式和频谱特性会随着年龄和全身麻醉发生很大变化,所以皮质复杂性在需要手术与麻醉的儿童中是如何变化的呢?

这项单中心、前瞻性的研究,以8~16岁手术麻醉儿童为对象,通过Lempel-Ziv算法识别不同年龄的神经发育和麻醉介导的扰动期间皮质复杂性的变化,专门探讨了大脑皮质复杂性随年龄和全麻期间的变化。本研究共入组50例患儿,术前咪达唑仑给药,氯胺酮诱导全身麻醉,进行脑电图数据采集与处理,主要采集受试者用药前,全麻诱导前,全麻维持期间和手术切口至停止麻醉维持之间约中间的脑电图数据。使用Lempel-Ziv算法分析基线、用药前、全麻维持和临床恢复期的皮质复杂性,通过比较原始复杂度值与归一化复杂度值,分析频谱功率对Lempel-Ziv复杂度的影响。

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结果:首先作者通过频谱分析验证了在麻醉前意识基线状态下,皮质复杂性会随着年龄的增长而增加。图A和B:时空Lempel-Ziv复杂度与平均时间Lempel-Ziv复杂度都与年龄有着线性关系。图C和D:当这些数据被归一化以解释频谱效应时,时空Lempel-Ziv复杂度和归一化平均时间Lempel-Ziv复杂度没有相关性。同时,线性关联也没有统计学意义。并且他们通过研究代表发育的模拟脑网络的复杂性进一步支持了这一发现。随着年龄增长,脑网络结构连接强度的增加,神经复杂性也随之增加。

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其次,在探究咪达唑仑预处理对脑电图功率和皮质复杂性的影响方面,图A:咪达唑仑治疗前与皮质复杂性的变化无关,图B和C:但咪达唑仑与正常脑电图的区域特异性变化有关。大脑所有区域脑可见电波变化以及Lempel-Ziv复杂度和归一化时间Lempel-Ziv复杂度在大脑中央区和顶叶都可见复杂性的增加。

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最后,在探究全身麻醉对皮质复杂性影响方面,在麻醉维持阶段均可见皮质复杂性下降。左图频谱性质的组变化显示,左图A和B:在全麻期间,δ功率和α均增加,而较高频带功率降低。全身麻醉诱导的总功率增加,大多数频率恢复后回到基线水平。右图麻醉前基线期间皮质复杂性的年龄相关变化显示,右图A:相较于闭眼基线水平,Lempel-Ziv复杂度和归一化时间Lempel-Ziv复杂度的明显下降,其中时空Lempel-Ziv复杂性下降最大。此外,意识恢复后,归一化时空复杂度相较于基线仍然降低。即全身麻醉期间皮质复杂性显著降低,与频谱变化无关,这表明复杂性的测量可能有助于开发成人和儿童人群的实时监测模式。

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综上所述,皮质复杂性随年龄发育增加而增加,在全身麻醉时降低。与年龄相关的皮质复杂性的增加可由频谱特性解释,但根据建模结果显示与成熟的大脑网络是一致的。

评论:总结而言,这项对接受手术麻醉的儿童的研究验证了脑电图皮层复杂性会随着发育年龄的增加而增加而在全身麻醉下降低的假设,并且发现当控制麻醉诱导引起的意识扰动时的频谱变化,这种关联性依旧明显,但与年龄发育无关。但是,仅仅使用单一的皮质复杂性分析可能并不足以可靠的确定所有患者的意识水平,并且各种亚麻醉药物对儿童皮质复杂性的影响仍然有待解决。此外,由于这项研究是在手术环境下进行受低脑电图密度的限制,一定程度上可能影响对大脑皮质复杂性的评估。但总的来说,这项研究能够进一步启发科学家们探索皮质复杂性与意识的潜在神经关联是符合受到年龄与麻醉状态转变影响。

来源:麻醉时讯

排版:刘家甫

校对:仇俊鑫

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关键词:
复杂性,麻醉,皮质

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