Anästhetikum lenkt die Reise der Gehirnwellen drastisch ab

Zusammenfassung: Neue Erkenntnisse zeigen, wie sich die anästhesieinduzierte Bewusstlosigkeit in Bezug auf die Deltawellenaktivität im Gehirn vom normalen Schlaf unterscheidet.

Quelle: Picower Institut für Lernen und Gedächtnis

Stellen Sie sich das bewusste Gehirn als ein Meer vor, das von Kollisionen und Ausbreitungen von Wellen unterschiedlicher Größe und Form aufgewühlt wird, die herumwirbeln und in viele verschiedene Richtungen fließen. Stellen Sie sich nun vor, ein Ozeandampfer holpert durch und macht alles, was hinterherhinkt, mit seinem mächtigen, sich teilenden Kielwasser platt.

Eine neue Studie stellt fest, dass Bewusstlosigkeit, die durch das häufig verwendete Medikament Propofol hervorgerufen wird, so etwas wie diesen metaphorischen Effekt auf höherfrequente Gehirnwellen hat, sie anscheinend beiseite fegt und als offensichtliche Folge auch das Bewusstsein wegfegt.

Prosaischer ausgedrückt, die Studie in der Zeitschrift für kognitive Neurowissenschaften von MIT-Wissenschaftlern am Picower Institute for Learning and Memory zeigt, dass Propofol wesentlich verändert, wie verschiedene Frequenzen von Gehirnwellen über die Gehirnoberfläche oder den Cortex wandern.

Während bewusste Gehirne eine Mischung aus Wellen mit unterschiedlichen rotierenden Frequenzen aufweisen oder sich gerade in verschiedene Richtungen bewegen, werden Gehirne unter Propofol-Anästhesie von starken, sehr niederfrequenten „Delta“-Wellen dominiert, die direkt nach außen in entgegengesetzte Richtungen rollen, anstatt sich langsam um zentrale Punkte zu drehen sie tun es während des Bewusstseins.

Höherfrequente „Beta“-Wellen wurden unterdessen weniger und unregelmäßiger strukturiert und bewegten sich nur in Richtungen, die nicht von den aufsteigenden Delta-Wellen dominiert wurden.

Es wird angenommen, dass Wanderwellen viele wichtige Funktionen erfüllen, da sie die Aktivität von Gehirnzellen über die von ihnen bedeckten Bereiche des Gehirns koordinieren. Dazu gehören das Auslesen von Informationen aus dem Gedächtnis und das Halten dieser dort, während sie darauf warten, in der Wahrnehmung verwendet zu werden. Sie können auch bei der Wahrnehmung helfen und als Mittel zur Zeitmessung im Gehirn dienen.

Die Ergebnisse veranschaulichen daher, wie tiefgreifend die Anästhesie den Zustand des Gehirns verändert, da sie Bewusstlosigkeit hervorruft und aufrechterhält, sagte der leitende Autor Earl K. Miller, Picower-Professor für Neurowissenschaften am Department of Brain and Cognitive Sciences des MIT.

„Die Rhythmen, die wir mit höherer Wahrnehmung assoziieren, werden durch Propofol drastisch verändert“, sagte Miller. „Die im Wachzustand beobachteten Beta-Wanderwellen werden beiseite geschoben und von Delta-Wanderwellen umgeleitet, die durch das Anästhetikum verändert und stärker gemacht wurden. Die Deltas kommen durch wie ein Stier im Porzellanladen.“

Co-Senior-Autorin Emery N. Brown sagte, die Ergebnisse zeigen, dass es viele Möglichkeiten gibt, wie Anästhetika auf das Gehirn wirken können.

„Die von Propofol erzeugten Wanderwellen helfen uns zu verstehen, dass Anästhetika viele dynamische Phänomene hervorrufen, die zu veränderten Erregungszuständen wie Bewusstlosigkeit beitragen können“, sagte Brown, Anästhesist am Massachusetts General Hospital und Edward Hood Taplin Professor für Computational Neuroscience and Health Naturwissenschaften und Technologie am MIT.

“Es ist daher unvernünftig zu glauben, dass es einen einzigen Wirkmechanismus für alle Anästhetika gibt.”

Der Hauptautor Sayak Bhattacharya, ein Postdoktorand von Picower Fellow in Millers Labor, leitete die Studie, indem er einen Datensatz erneut analysierte, der von zwei Tieren aufgezeichnet wurde, die sich einer Propofol-Anästhesie unterzogen, eine Weile in diesem Zustand blieben und dann wieder zu Bewusstsein gebracht wurden.

Das ist wichtig, sagte Bhattacharya, denn während Wanderwellen bei Probanden unter Anästhesie viele Male beobachtet wurden, ist diese Studie eine der ersten, die sie bei Probanden während des gesamten Prozesses des Bewusstseinsverlusts und der Wiedererlangung verfolgt.

„Keine Studie hat beobachtet, wie Wanderwellen im selben Experiment direkt vom Wachzustand in die Anästhesie und dann wieder zurück in den Wachzustand wechseln“, sagte er.

„Wir haben kontinuierlich überwacht, wie sich diese Wellen verhielten, wenn die Tiere im Wachzustand waren, und dann, wie sie sich veränderten, wenn ein Bewusstseinsverlust auftrat, und dann wieder, wenn ein Bewusstseinsverlust auftrat – alles bei denselben Tieren, kontinuierlich experimentelle Sitzung. Dadurch konnten wir in Echtzeit untersuchen, wie die Nervenbahnen, die die Wellen erzeugen, verändert wurden.“

Die erste Analyse des Datensatzes durch das Labor, die 2021 veröffentlicht wurde, dokumentierte eine tiefgreifende Verschiebung hin zu Delta-Wellen, hatte aber die Wandernatur der Wellen nicht gemessen.

In der neuen Analyse fanden Bhattacharya und Co-Autoren signifikante Verschiebungen nicht nur nach Frequenz, sondern auch nach Wellenrichtung, Geschwindigkeit, struktureller Organisation und planarer vs. Rotationsform.

„Delta-Wellen mit niedriger Frequenz (~ 1 Hz) nahmen zu, während Wellen mit höherer Frequenz (8-30 Hz) abnahmen“, schrieben die Autoren.

„Die Slow-Delta-Wellen beschleunigten sich und wurden räumlich organisierter. Sie wurden planarer (und weniger rotierend) und verstärkten spiegelbildliche Wellen, die sich in entgegengesetzte Richtungen ausbreiteten. Welche Richtungen langsame Delta-Wellen auch immer nach Bewusstlosigkeit flossen, sie dominierten.

„Hochfrequentere Wellen nahmen ab und verloren ihre Struktur nach Bewusstlosigkeit, obwohl sie eine Zunahme zeigten [wave] Energie und floss vorzugsweise in Richtungen, in denen langsame Delta-Wellen weniger häufig waren. ”

Höherfrequente „Beta“-Wellen wurden unterdessen weniger und unregelmäßiger strukturiert und bewegten sich nur in Richtungen, die nicht von den aufsteigenden Delta-Wellen dominiert wurden. Das Bild ist gemeinfrei

Nachdem die Tiere das Bewusstsein wiedererlangt hatten, kehrten alle ihre Wellenmuster dorthin zurück, wo sie vor der Propofol-Verabreichung waren. Die klare Assoziation zwischen diesen beiden Regimen (unbeschränktes Beta vor oder nach der Anästhesie vs. Delta-Dominanz während der Anästhesie) und dem Bewusstseinszustand deutet stark auf eine Verbindung hin, sagte Bhattacharya.

„Wir gehen davon aus, dass der drastische Zusammenbruch der Beta-Wanderwellen und ihre Umleitung zum Bewusstseinsverlust unter Propofol-Anästhesie beitragen könnten“, sagte er.

Insbesondere deuten die Ergebnisse der Studie auf einen wichtigen Unterschied zwischen Anästhesie und Schlaf hin (es ist ein weit verbreitetes Missverständnis, dass die beiden Zustände der Bewusstlosigkeit ähnlich sind).

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Im normalen Schlaf bewegen sich Delta-Wellen in einem rotierenden Muster, das das Timing liefern kann, das die „Spike-Timing-abhängige Plastizität“ induziert, die für die Konsolidierung von Erinnerungen an Erfahrungen benötigt wird, die sich während des Tages angesammelt haben.

Unter Propofol werden Deltawellen jedoch eher planar als rotierend, was diesen gedächtnisunterstützenden Mechanismus stört und dem Gehirn eine Schlüsselfunktion des Schlafes entzieht.

Neben Bhattacharya, Miller und Brown sind die weiteren Autoren der Zeitung Jacob Donoghue, Meredith Mahnke und Scott Brincat.

Finanzierung: Die JPB Foundation, das National Institute of General Medical Sciences und das Office of Naval Research finanzierten die Forschung.

Über diese Neuigkeiten aus der Bewusstseinsforschung

Autor: David Orenstein
Quelle: Picower Institut für Lernen und Gedächtnis
Kontakt: David Orenstein – Picower Institut für Lernen und Gedächtnis
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Ursprüngliche Forschung: Geschlossener Zugang.
Propofol-Anästhesie verändert kortikale Wanderwellen„Von Sayak Bhattacharya et al. Zeitschrift für kognitive Neurowissenschaften


Abstrakt

Propofol-Anästhesie verändert kortikale Wanderwellen

Die Schwingungsdynamik im Cortex scheint sich in Wanderwellen zu organisieren, die einer Vielzahl von Funktionen dienen.

Jüngste Studien zeigen, dass Propofol, ein weit verbreitetes Anästhetikum, kortikale Oszillationen dramatisch verändert, indem es die Kraft und Kohärenz der Slow-Delta-Oszillation erhöht. Wie sich dies auf Wanderwellen auswirkt, ist nicht bekannt.

Wir verglichen Wanderwellen durch den Kortex von nichtmenschlichen Primaten vor, während und nach Propofol-induziertem Bewusstseinsverlust (LOC). Nach LOC nahmen Wanderwellen im langsamen Delta-Bereich (~1 Hz) zu, organisierten sich besser und bewegten sich relativ zum Wachzustand in verschiedene Richtungen. Wanderwellen mit höherer Frequenz (8–30 Hz) nahmen dagegen ab, verloren ihre Struktur und wechselten in Richtungen, in denen langsame Delta-Wellen weniger häufig waren.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass LOC teilweise auf eine Zunahme der Stärke und Richtung von langsamen Delta-Wanderwellen zurückzuführen sein kann, die wiederum Wanderwellen in höheren Frequenzen, die mit der Wahrnehmung verbunden sind, verändern und stören.

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