При проведении общей анестезии врачи могут выбирать из нескольких препаратов. Хотя каждый из этих препаратов воздействует на нейроны по-разному, все они приводят к одному и тому же результату: нарушению баланса между стабильностью и возбудимостью головного мозга, согласно новому исследованию Массачусетского технологического института, опубликованному в журнале Cell Reports.
Исследователи обнаружили, что это нарушение приводит к тому, что нейронная активность становится все более нестабильной, пока мозг не теряет сознание. Открытие этого общего механизма может облегчить разработку новых технологий для мониторинга пациентов во время анестезии.
«Самое интересное в этом — возможность создания универсальной системы подачи анестезии , которая сможет измерять этот единственный сигнал и определять степень бессознательного состояния пациента, независимо от того, какие препараты используются в операционной», — говорит Эрл Миллер, профессор нейробиологии имени Пиковера и член Института обучения и памяти Пиковера при Массачусетском технологическом институте.
Миллер, профессор медицинской инженерии и вычислительной нейронауки им. Эдварда Худа Таплина, Эмери Браун и их коллеги сейчас работают над автоматизированной системой управления подачей анестезирующих препаратов, которая будет измерять стабильность работы мозга с помощью ЭЭГ и затем автоматически корректировать дозу препарата.
Это может помочь врачам обеспечить бессознательное состояние пациентов на протяжении всей операции, не допуская при этом слишком глубокой потери сознания, что может иметь негативные побочные эффекты после процедуры.
Миллер и Ила Фиете, профессор нейробиологии и когнитивных наук, директор Интегративного вычислительного нейробиологического центра им. К. Лизы Янг (ICoN) и член Института исследований мозга Макговерна при Массачусетском технологическом институте, являются ведущими авторами нового исследования. Адам Эйзен, аспирант Массачусетского технологического института, является ведущим автором статьи.
Дестабилизация мозга
Точный механизм действия анестезирующих препаратов, приводящий к потере сознания, долгое время оставался нерешенным вопросом в нейробиологии. В 2024 году исследование, проведенное в лабораториях Миллера и Фиете, показало, что в случае с пропофолом ответ заключается в нарушении баланса между стабильностью и возбудимостью головного мозга.
Когда человек бодрствует, его мозг способен поддерживать это хрупкое равновесие, реагируя на сенсорную информацию или другие воздействия, а затем возвращаясь к стабильному базовому уровню.
«Нервная система должна функционировать на грани в этом узком диапазоне возбудимости, — говорит Миллер. — Она должна быть достаточно возбудимой, чтобы различные части могли влиять друг на друга, но если она слишком возбудится, то впадёт в хаотическую активность».
В исследовании 2024 года учёные обнаружили, что пропофол выводит мозг из этого состояния, известного как «динамическая стабильность». По мере увеличения дозы препарата мозгу требовалось все больше времени для возвращения в исходное состояние после реакции на новые раздражители. Этот эффект становился все более выраженным, пока не наступала потеря сознания.
Для этого исследования учёные разработали вычислительную модель , которая анализирует нейронную активность, регистрируемую в головном мозге. Эта методика позволила им определить, как мозг реагирует на возмущения, такие как звуковой сигнал или другие сенсорные раздражители, и сколько времени требуется для возвращения к исходному состоянию стабильности.
В своём новом исследовании учёные использовали ту же методику для измерения реакции мозга не только на пропофол, но и на два дополнительных анестезирующих препарата — кетамин и дексмедетомидин. Животным вводили один из трёх препаратов, а затем анализировали активность их мозга, включая реакцию на звуковые сигналы.
Данное исследование показало, что та же дестабилизация, вызванная пропофолом, наблюдается и при введении двух других препаратов. Эта «универсальная сигнатура» проявляется, несмотря на то, что три препарата имеют разные молекулярные механизмы действия: пропофол связывается с ГАМК-рецепторами, ингибируя нейроны, имеющие эти рецепторы; дексмедетомидин блокирует высвобождение норадреналина; а кетамин блокирует NMDA-рецепторы, подавляя нейроны, имеющие эти рецепторы.
Исследователи предполагают, что каждый из этих путей по-разному влияет на баланс стабильности и возбудимости мозга, и каждый из них приводит к общей дестабилизации этого баланса.
«Все три препарата, по-видимому, действуют совершенно одинаково, — говорит Миллер. — На самом деле, вы можете посмотреть на применяемые нами меры по дестабилизации и не определить, какой именно препарат используется».
Теперь исследователи планируют более подробно изучить, как каждый из этих препаратов может вызывать одинаковые закономерности дестабилизации головного мозга.
«Молекулярные механизмы действия кетамина и дексмедетомидина несколько сложнее, чем механизмы действия пропофола», — говорит Эйзен. «В будущем планируется создать осмысленную модель биофизических эффектов этих веществ и посмотреть, как это может привести к дестабилизации».
Мониторинг анестезии
Теперь, когда исследователи показали, что три разных анестезирующих препарата вызывают схожие паттерны дестабилизации в головном мозге, они считают, что измерение этих паттернов может стать ценным способом мониторинга пациентов во время анестезии. Хотя анестезия в целом является очень безопасной процедурой, она сопряжена с некоторыми рисками, особенно для очень маленьких детей и для людей старше 65 лет.
У взрослых, страдающих деменцией, анестезия может ухудшить состояние, а также усугубить нейропсихиатрические расстройства, такие как депрессия. Эти риски выше, если пациенты впадают в более глубокое бессознательное состояние, известное как синдром подавления активности .
Чтобы снизить эти риски, Миллер и Браун, который также является анестезиологом в MGH, разрабатывают прототип устройства, способного измерять показания ЭЭГ пациентов во время анестезии и соответствующим образом корректировать дозу. В настоящее время врачи отслеживают частоту сердечных сокращений, артериальное давление и другие жизненно важные показатели пациентов во время операции, но эти данные не дают столь точной оценки степени бессознательного состояния пациента.
«Если удастся ограничить воздействие анестезии на пациентов, если ввести ровно столько, сколько необходимо, и не больше, можно снизить риски в целом», — говорит Миллер.
В сотрудничестве с исследователями из Университета Брауна команда из Массачусетского технологического института планирует провести небольшое клиническое исследование своего устройства мониторинга на пациентах, перенесших операцию.
Ведёт расследования о коррупции в любых эшелонах власти
