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麻醉猴大脑皮层的层次结构损害是意识丧失的新标志

2021年01月12日 浏览量: 评论(0) 来源:中国实验动物信息网 作者:李晓菲译 责任编辑:admin
摘要:麻醉诱导大脑功能状态的重新配置,从而导致高度的功能结构相似性。 但是,尚不清楚这些功能性变化如何导致意识丧失。有意识进入的机制与皮层内在层次结构的一般动力学重排有关。为了测量大脑皮层的层次结构,我们对清醒和麻醉猕猴的静息态fMRI数据进行了内点燃分析。研究结果表明,猕猴皮层神经活动存在时空层次差异,并受到麻醉深度和所用麻醉剂的强烈调节。较高的内点燃值对应丰富而灵活的大脑动力学,而较低的内点燃值对应较差而僵硬的结构驱动的大脑动力学。此外,时空层次结构以不同的方式被损害,涉及不同层次的大脑网络。所有这些都表明大脑层次结构的损害是意识丧失的一个新标志。

摘要:麻醉诱导大脑功能状态的重新配置,从而导致高度的功能结构相似性。 但是,尚不清楚这些功能性变化如何导致意识丧失。有意识进入的机制与皮层内在层次结构的一般动力学重排有关。为了测量大脑皮层的层次结构,我们对清醒和麻醉猕猴的静息态fMRI数据进行了内点燃分析。研究结果表明,猕猴皮层神经活动存在时空层次差异,并受到麻醉深度和所用麻醉剂的强烈调节。较高的内点燃值对应丰富而灵活的大脑动力学,而较低的内点燃值对应较差而僵硬的结构驱动的大脑动力学。此外,时空层次结构以不同的方式被损害,涉及不同层次的大脑网络。所有这些都表明大脑层次结构的损害是意识丧失的一个新标志。

关键词:麻醉  意识测量 

简介:最近的研究表明,全身麻醉,睡眠和意识障碍期间大脑活动受到动态破坏。然而,无论意识水平如何,静息状态下的大脑活动都显示出高度有序的连贯网络。有证据表明,麻醉会调节功能连接的强度。对清醒和异丙酚麻醉猕猴的功能性磁共振成像(fMRI)数据的动态静息状态分析表明,在清醒状态下,休息时的大脑活动表现出丰富的灵活功能模式,这些功能模式与基础解剖学连接无关。相反地,在麻醉引起的意识丧失期间,静息状态下的大脑活动会向僵硬的功能模式转变,与结构连接更为相似。这一发现适用于不同的麻醉剂,也适用于分类不同类型的慢性意识丧失。远程网络的动态中断可能是所有不同类型意识丧失(麻醉引起的、损伤引起的意识丧失和睡眠)的共同特征。不幸的是,目前还不清楚这些功能中断是如何引起的,以及它们是否是其他因素的因果关系。独立于不同麻醉剂的分子途径、睡眠阶段或脑损伤的定位/类型,如果这足以扰乱大脑的层次结构,就会导致意识丧失。

为了研究意识丧失的脑机制,一种新引入的被称为内点燃的测量方法,与全身麻醉一起,提供了一个独特的机会来量化神经活动的层次及其破坏。不同的麻醉剂,具有不同的药理学和分子途径,产生类似的动力学破坏。另一方面,“内点燃”量化了从一个区域到大脑其他区域在空间和时间上的神经传播活动。在这里,我们测量了清醒和麻醉猕猴大脑皮层区域的内点燃,并对六种实验条件(清醒、氯胺酮、轻度/深度异丙酚、轻度/深度七氟醚麻醉)进行了独特的研究。用fMRI评估的皮层区域的内点燃可揭示时空分层差异,并可以使麻醉剂聚类。最后,内点燃作为意识理论框架中的一个统一概念,根据层次组织安排量化了动态破坏,并定义了意识的多维特征。

麻醉剂的动力学差异:此处分析的数据对应于119次运行。 图1a中绘制了清醒状态下一名受试者的时间序列示例。 fMRI值的概率密度(密度分布)在标准化程序(使用z评分)后绘制。这些图建议使用非参数统计检验,因为数据分布的中心均值接近零,但方差似乎不同。以受试者之间的平均值绘制的FC矩阵也支持条件之间的动态差异

图1、动力学分析。A) 一只猴的时间序列示例,清醒状态,500个时间点,重复时间2400 ms(TR)。B) 每种情况下的功能磁共振信号分布图。所有情况均有显著性差异。C) 每种情况下的功能连接矩阵(FC),CoCoMac,82个皮层区域。D) 每种情况下一个受试者的动态功能连接性(dFC)示例。E) 每个受试者的FC和结构连接性(SC)之间的Pearson相关。

在绘制动态功能连接性(dFC)时,也会出现这些差异。在清醒状态下,功能性基质的相关活动似乎比深麻醉状态下更为频繁。深度异丙酚麻醉比氯胺酮和深度七氟醚更有效。为了量化这些差异,在每个受试者的FC和结构连接性之间进行了Pearson相关分析。结果表明,清醒状态具有较低的相关值,说明功能性活动较其他状态离SC较远。图1e也显示了分布类型的差异。轻度异丙酚镇静具有最高的平均相关值,然而,麻醉剂在统计学检验方面没有差异。显示清醒状态下亚稳态值较高,轻度异丙酚和轻度七氟醚镇静略高于氯胺酮和深度镇静,但无统计学差异。深度异丙酚麻醉价值较氯胺酮、轻度异丙酚和轻度七氟醚麻醉价值略低。其他条件在亚稳态方面不存在显著的统计学差异。这些动力学分析支持并复制了先前的结果,提示在麻醉下动力功能组织的破坏。但是,它们不能区分麻醉药,也不能量化层次结构的破坏程度。

内点燃和全层次结构:本征点燃的计算是基于网络理论和二值化技术。在这种情况下,光栅图是在六种条件下为一个对象计算的。点燃能力产生两种度量:内点燃和点燃可变性。

图2.内点燃措施。

从最高点到较低点绘制每个节点的内点燃值将创建一条排序曲线。该曲线的形状反映了网络中可能存在的层次结构类型。清醒条件下每个节点的内点燃曲线似乎对应于分级的非均匀层次结构。而麻醉曲线从分级的非均匀层次过渡到不太明显的曲线斜率,提示空间向弱的非层次变化。在清醒状态下发现较高的内燃值,其次是轻度七氟醚和轻度异丙酚,随后是深丙泊酚,深七氟醚和氯胺酮麻醉。氯胺酮麻醉与深度异丙酚麻醉和深度七氟醚麻醉具有相似的作用。 曲线似乎至少可以区分两组:清醒和麻醉。

图3、内点燃揭示了分层破坏。

取内点燃值和点燃可变性,每个节点一个点,生成散点图。明显分开了;一个对应于清醒状态(绿点),另一个对应于镇静状态。右侧的方框图显示了每种条件下各个节点的内点燃值分布。清醒值明显高于其他麻醉条件。氯胺酮麻醉与轻度异丙酚、轻度七氟醚和深度七氟醚麻醉有显著差异,但与深度异丙酚麻醉无显著差异。轻度异丙酚麻醉在每个结点处的内点燃值略高,在统计学上不同于深度异丙酚和深度七氟醚麻醉,但与轻度七氟醚麻醉没有区别。轻度七氟醚麻醉是清醒状态和轻度异丙酚镇静后的第三高内点燃值。异丙酚深度麻醉的内点燃值明显低于轻度七氟醚麻醉,而稍高于深度七氟醚麻醉。最后,轻度七氟醚麻醉和深度七氟醚麻醉也存在统计差异,如方框图所示。为量化这些差异而进行的效应大小分析也支持这些发现。这些结果支持这样一种观点,即在不同的条件下,层级组织的空间维度受到不同程度的破坏。这种干扰至少分为三类:清醒、轻度和深度镇静作用。

统计检验表明,点燃变异值对每种麻醉剂的作用更为敏感。除了深度异丙酚和深度七氟醚麻醉外,所有的情况都是不同的。清醒状态再次呈现出最高的每个结点点燃变异性,其次是轻度七氟醚,轻度异丙酚,氯胺酮,深度七氟醚和深度异丙酚麻醉。

局部层次结构:执行局部分析以分离可能对时空层次结构破坏的全局变化产生较大影响的区域。总体趋势为清醒时每个节段的内点燃和点燃变异性值较高,轻度镇静时值中等和深度镇静时值较低。每个节点都按照频谱层次结构级别进行了分类。就内点燃而言,这些节点是右膝下扣带皮层、右后扣带皮层、右侧顶叶下皮层、右顶叶内皮层、右额叶视野、左海马旁皮层、左膝下扣带皮层、左初级体感皮层、左顶叶内皮层和左侧顶叶上皮层。

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图4、大脑功能网络的全局和局部方面

结论:我们的研究提供了由麻醉药引起的意识丧失的常见脑部信号,其范围超出了分子药理学,也称为“共同麻醉终点”。 这与以下观点一致:远程网络动力学的中断是麻醉引起的意识丧失的常见特征,但是增加了层级组织及其两个维度(空间和时间)的崩溃。通过内点燃表征层次结构,协调观察到的常见全局变化(层次结构)和不同的局部变化。层次的变化在扣带和顶叶区域找到了共同点。


原文出自:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1053811920311034

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