Подавление всплесков

Подавление всплесков — это образец электроэнцефалографии (ЭЭГ), который характеризуется периодами высоковольтной электрической активности, чередующимися с периодами отсутствия активности в мозге. Такая закономерность обнаруживается у пациентов с инактивированными состояниями мозга, например, в результате общей анестезии , комы или гипотермии . [ 1 ] Этот паттерн может быть физиологическим, как на ранних стадиях развития, или патологическим, как при таких заболеваниях, как синдром Отахара . [ 2 ]
История
[ редактировать ]Характер подавления всплесков впервые был обнаружен Дербиширом и др. при изучении воздействия анестетиков на кору головного мозга кошек в 1936 году исследователи заметили смешанную медленную и быструю электрическую активность с уменьшением амплитуды по мере углубления анестезии. [ 3 ] В 1948 году Суонк и Уотсон ввели термин «паттерн подавления всплесков», чтобы описать чередование всплесков и стабилизированных линий электрической активности при глубокой анестезии. [ 4 ] Лишь в начале 1960-х годов схема подавления всплесков начала использоваться в медицинских учреждениях; в первую очередь это наблюдалось в исследованиях на животных и в психохирургии . [ 5 ]
Механизмы
[ редактировать ]Статья, опубликованная в 2023 году, показала, что подавление всплесков и эпилепсия могут иметь один и тот же механизм эфаптической связи . [ 6 ] Когда тормозной контроль достаточно низок, как в случае некоторых общих анестетиков, таких как севофлуран (из-за уменьшения активации интернейронов [ 7 ] ), электрические поля способны вовлекать соседние клетки для синхронного срабатывания по схеме подавления всплесков. Этот же механизм лежит в основе эпилептических вспышек, но величина вспышек сравнительно слабее при подавлении вспышки, поскольку нейронная сеть все еще сохраняет частичный тормозящий контроль под действием анестезии.
Характеристики
[ редактировать ]Псевдоритмический характер подавления всплесков определяется истощением внеклеточного кальция и способностью нейронов восстанавливать концентрацию. [ 4 ] Всплески сопровождаются истощением внеклеточных кортикальных ионов кальция до уровней, которые ингибируют синаптическую передачу , что приводит к периодам подавления. [ 4 ] Во время подавления нейрональные насосы восстанавливают концентрацию ионов кальция до нормального уровня, тем самым заставляя кору снова подвергаться этому процессу. [ 4 ] По мере того как мозг становится менее активным, периоды всплесков становятся короче, а периоды подавления — длиннее. [ 8 ] Укорочение всплесков и удлинение супрессии вызвано неспособностью центральной нервной системы должным образом регулировать уровень кальция из-за повышенной гематоэнцефалической проницаемости . [ 8 ]
На клеточном уровне гиперполяризация мембранного потенциала корковых нейронов достоверно предшествует любой явной электроэнцефалографической активности подавления всплеска. [ 9 ] Эта гиперполяризация, которую связывают с увеличением калиевой проводимости мембран нейронов, [ 9 ] Было высказано предположение, что он играет важную роль в индукции подавления вспышки, что подтверждается индукцией подавления вспышки за счет применения ГАМК А агониста прямого действия , мусцимола . [ 5 ] Напротив, ингибирование уменьшается, когда подавление вспышки индуцируется с помощью изофлюрана . [ 10 ] Другая теория состоит в том, что изменения в метаболизме мозга регулируют зависимую от активности медленную модуляцию АТФ -зависимой проводимости калиевых каналов , которая вызывает подавление всплесков. [ 1 ] Однако модуляция ингибирующей активности сама по себе может оказаться недостаточной для подавления вспышки, а модуляция возбуждающей синаптической эффективности, обусловленная истощением и последующим восстановлением уровней интерстициального кальция, может способствовать индукции подавления вспышки. [ 5 ]
Эпизоды взрывов связаны с возбуждающей активностью корковых нейронов. [ 11 ] Подавление обусловлено отсутствием синаптической активности корковых нейронов; однако некоторые таламокортикальные нейроны в эти периоды демонстрируют колебания в диапазоне дельта-частот . [ 9 ] Характер подавления взрыва варьируется в зависимости от концентрации анестетика в головном мозге при фармакологическом индуцировании комы. [ 12 ] Уровень подавления можно регулировать, уменьшая или увеличивая скорость инфузии анестетика, регулируя тем самым уровень инактивации. [ 13 ]
Хотя подавление всплесков обычно рассматривается как однородное состояние мозга, недавние исследования показали, что всплески и подавления могут возникать в определенных областях, в то время как другие области не затрагиваются. [ 14 ] Тот факт, что паттерн подавления всплеска сохраняется после того, как у пациента произошла корковая деафферентация, указывает на то, что подавление всплеска представляет собой внутренний динамический режим коры. [ 5 ] Даже если всплеск кажется однородным по всему мозгу, время возникновения всплесков в разных регионах может различаться. [ 14 ]
Схемы подавления всплесков можно классифицировать путем сравнения длительности всплесков и интервалов между всплесками, максимального пикового напряжения и соотношения мощности на высоких и низких частотах. (Акрави и др., 1996 г.) [ 15 ] Подавление пакетов с идентичными пакетами предполагает детерминированный процесс генерации пакетов, тогда как другие схемы подавления пакетов зависят от стохастических процессов . [ 2 ] Подавление пакетов идентичными пакетами является отчетливым патологическим паттерном ЭЭГ, типичным для диффузной ишемии головного мозга и связанным с плохими исходами у пациентов в коме после остановки сердца. [ 2 ]
Электрофизиология
[ редактировать ]Всплески можно идентифицировать на показаниях ЭЭГ по их высокой амплитуде (75–250 мкВ), обычно короткому периоду 1–10 секунд и диапазону частот 0–4 Гц ( δ ) и 4–7 Гц ( θ ). [ 16 ] Эпизоды подавления можно отличить по низкой амплитуде (< 5 мкВ) и, как правило, длительному периоду (> 10 с). [ 16 ]
Записи ЭЭГ паттерна всплеска-подавления различаются у взрослых и новорожденных из-за различных колебаний паттерна, обнаруженных в ЭЭГ новорожденных. [ 16 ] Эти колебания, наряду с внезапными изменениями в синхронной активности нейронов, вызваны развитием мозга новорожденного. [ 16 ] Паттерны всплеска подавления также возникают спонтанно во время неонатального развития, а не как характеристика инактивированного мозга, как у взрослых. [ 12 ]
Количественная оценка
[ редактировать ]Чтобы количественно оценить характер подавления всплеска, сигнал ЭЭГ должен быть подвергнут сегментации. [ 17 ] В первой сегментации использовался фиксированный порог напряжения, а во временной области были разработаны различные методы сегментации или обнаружения пакетов. [ 12 ] частотная (Фурье) область и то и другое. [ 18 ] Эти процессы разделяют эпизоды всплеска и подавления на основе таких характеристик ЭЭГ, как энтропия, нелинейный энергетический оператор, изменение напряжения или адаптация алгоритма постоянной частоты ложных тревог (CFAR). [ 19 ] и т. д. Когда функции представляют собой различимые шаблоны всплеска и подавления, устанавливается фиксированный порог с использованием ROC-кривой или методов машинного обучения. [ 18 ] используются для сегментации.
Количественная оценка шаблона подавления пакетов позволяет рассчитать коэффициент подавления пакетов (BSR) путем присвоения двоичных значений 0 пакетам и 1 эпизодам подавления. [ 17 ] Таким образом, коэффициент подавления всплесков, равный 1, связан с состоянием мозга, в котором отсутствует электрическая активность, а коэффициент, равный 0, указывает на то, что мозг активен. Коэффициент подавления всплесков измеряет количество времени в течение интервала, проведенного в состоянии подавления. [ 12 ] Это соотношение увеличивается по мере того, как мозг становится все более неактивным, пока сигнал ЭЭГ мозга не станет ровным , что представлено коэффициентом подавления всплеска, равным 1. [ 20 ] Из-за прямой зависимости между коэффициентом подавления всплесков и бездеятельностью мозга это соотношение является индикатором интенсивности подавления. [ 12 ]
Используя те же двоичные назначения для шаблона подавления пакетов, можно определить другую меру глубины подавления пакетов, вероятность подавления пакетов (BSP). [ 12 ] Математически мгновенная вероятность быть подавленным равна
BSR = (общее время подавления/длина эпохи) × 100%. [ 20 ] где x i — состояние подавления мозга в момент времени i Δ, где Δ представляет интервалы для анализа и варьируется во всех действительных числах. [ 17 ]
Клинические преимущества
[ редактировать ]
Поскольку паттерн подавления вспышки характерен для инактивированного мозга, этот паттерн можно использовать в качестве маркера степени комы, в которой находится пациент, при этом сохранение паттерна обычно связано с плохим прогнозом. [ 17 ] Однако обратите внимание, что существуют доказательства, связывающие подавление взрыва, вызванное седацией, с положительными результатами у пациентов, выходящих из комы после черепно-мозговой травмы, что указывает на нейропротекторный эффект. [ 21 ] При вызове комы для защиты мозга после травмы этот паттерн помогает поддерживать необходимый уровень комы, чтобы мозгу не было нанесено дальнейшего повреждения. [ 13 ] Модель также используется для проверки способности анестетиков, вызывающих возбуждение, вызывать выход из комы. [ 17 ] Схема подавления всплесков также может использоваться для отслеживания возникновения гипотермии и выхода из нее путем наблюдения за изменениями в схеме. [ 17 ]
Мониторинг коэффициента подавления всплесков помогает медицинскому персоналу регулировать интенсивность подавления в терапевтических целях; однако в настоящее время медицинский персонал полагается на визуальный мониторинг ЭЭГ и произвольную оценку глубины подавления всплеска. [ 12 ] Вручную производится не только оценка сигнала ЭЭГ для подавления вспышки, но и скорость инфузии анестетика для регулировки интенсивности подавления. [ 13 ] Внедрение машин делает поддержание должного уровня бездействия более точным за счет использования алгоритмов. Это достигается за счет использования таких мер, как вероятность подавления всплесков. [ 12 ] для отслеживания подавления всплесков в реальном времени или интерфейсов «мозг-машина» для автоматизации поддержания надлежащего уровня бездействия. [ 13 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Чинг, С.; Пердон, Польша; Виджаян, С.; Копелл, Нью-Джерси; Браун, EN (7 февраля 2012 г.). «Нейрофизиолого-метаболическая модель подавления всплесков» . Труды Национальной академии наук . 109 (8): 3095–3100. Бибкод : 2012PNAS..109.3095C . дои : 10.1073/pnas.1121461109 . ПМЦ 3286963 . ПМИД 22323592 .
- ^ Jump up to: а б с Хофмейер, Жаннетт; Тьепкема-Клостерманс, Марлин Дж.; ван Путтен, Мишель ЖЕМ (октябрь 2013 г.). «Подавление всплесков идентичными всплесками: отчетливый паттерн ЭЭГ с плохим исходом при постаноксической коме» (PDF) . Клиническая нейрофизиология . 125 (5): 947–954. дои : 10.1016/j.clinph.2013.10.017 . ПМИД 24286857 . S2CID 5101630 .
- ^ Нидермейер, Э. (декабрь 2009 г.). «Электроэнцефалограмма с подавлением взрыва». Американский журнал электронейродиагностических технологий . 49 (4): 333–41. дои : 10.1080/1086508X.2009.11079736 . ПМИД 20073416 . S2CID 8752000 .
- ^ Jump up to: а б с д Амзика, Флорин (1 декабря 2009 г.). «Основы физиологии подавления всплесков» . Эпилепсия . 50 : 38–39. дои : 10.1111/j.1528-1167.2009.02345.x . ПМИД 19941521 .
- ^ Jump up to: а б с д Лили, Дэвид ТиДжей; Уолш, Мэтью (2013). «Мезоскопическое моделирование подавления взрыва во время анестезии» . Границы вычислительной нейронауки . 7 : 46. дои : 10.3389/fncom.2013.00046 . ПМЦ 3639728 . ПМИД 23641211 .
- ^ Дубовиков, Эван Д.; Сердюкова Наталья Александровна; Гринберг, Стивен Б.; Гаскойн, Дэвид А.; Минхадж, Мохаммед М.; Аксенов Даниил П. (сентябрь 2023 г.). «Влияние электрического поля на активность мозга: последствия эпилепсии и подавление приступов» . Клетки . 12 (18): 2229. doi : 10.3390/cells12182229 . ISSN 2073-4409 . ПМЦ 10527339 . ПМИД 37759452 .
- ^ Аксенов Даниил П.; Миллер, Майкл Дж.; Диксон, Конор Дж.; Вирвич, Алиса М. (июнь 2019 г.). «Влияние севофлурановой и изофлурановой анестезии на потенциалы единичного и локального поля» . Экспериментальное исследование мозга . 237 (6): 1521–1529. дои : 10.1007/s00221-019-05528-9 . ISSN 1432-1106 . ПМК 6526065 . ПМИД 30919011 .
- ^ Jump up to: а б Тетро, Самуэль; Чевер, Оана; Сик, Аттила; Амзика, Флорин (1 октября 2008 г.). «Открытие гематоэнцефалического барьера во время анестезии изофлюраном». Европейский журнал неврологии . 28 (7): 1330–1341. дои : 10.1111/j.1460-9568.2008.06443.x . ПМИД 18973560 . S2CID 28555021 .
- ^ Jump up to: а б с Стериаде, М; Амзика, Ф; Контрерас, Д. (январь 1994 г.). «Корковые и таламические клеточные корреляты подавления электроэнцефалографических всплесков». Электроэнцефалография и клиническая нейрофизиология . 90 (1): 1–16. дои : 10.1016/0013-4694(94)90108-2 . ПМИД 7509269 .
- ^ Феррон, Дж. Ф.; Крегер, Д; Чевер, О; Амзика, Ф (5 августа 2009 г.). «Корковое торможение во время подавления взрыва, вызванного анестезией изофлюраном» . Журнал неврологии . 29 (31): 9850–60. doi : 10.1523/jneurosci.5176-08.2009 . ПМК 6666595 . ПМИД 19657037 .
- ^ Крегер, Дэниел; Флоря, Богдан; Амзика, Флорин; Диксон, Клейтон Т. (18 сентября 2013 г.). «Модель активности человеческого мозга за пределами изоэлектрической линии экстремальной глубокой комы» . ПЛОС ОДИН . 8 (9): е75257. Бибкод : 2013PLoSO...875257K . дои : 10.1371/journal.pone.0075257 . ПМЦ 3776755 . ПМИД 24058669 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час Брэндон Вестовер, М.; Шафи, Мухсин М.; Чинг, ШиНунг; Чемали, Джессика Дж.; Пердон, Патрик Л.; Кэш, Сидней С.; Браун, Эмери Н. (1 сентября 2013 г.). «Сегментация в реальном времени моделей подавления всплесков при мониторинге ЭЭГ в реанимации» (PDF) . Журнал методов нейробиологии . 219 (1): 131–141. doi : 10.1016/j.jneumeth.2013.07.003 . hdl : 1721.1/102246 . ПМЦ 3939433 . ПМИД 23891828 .
- ^ Jump up to: а б с д Шанечи , Марьям М.; Чемали, Джессика Дж.; Либерман, Макс; Солт, Кен; Браун, Эмери Н.; Спорнс, Олаф (31 октября 2013 г.). «Интерфейс мозг-машина для контроля медикаментозной комы» . PLOS Вычислительная биология . 9 (10): e1003284. Бибкод : 2013PLSCB...9E3284S . дои : 10.1371/journal.pcbi.1003284 . ПМК 3814408 . ПМИД 24204231 .
- ^ Jump up to: а б Льюис, Л.Д.; Чинг, С.; Вайнер, В.С.; Петерфройнд, РА; Эскандар, EN; Наличные, СС; Браун, EN; Пердон, Польша (25 июля 2013 г.). «Локальная корковая динамика подавления всплеска в анестезированном мозге» . Мозг . 136 (9): 2727–2737. дои : 10.1093/brain/awt174 . ПМЦ 3754454 . ПМИД 23887187 .
- ^ Акрави, WP; Драммонд, Джей Си; Калькман, CJ; Патель, премьер-министр (январь 1996 г.). «Сравнение электрофизиологических характеристик подавления всплеска ЭЭГ, производимого изофлураном, тиопенталом, этомидатом и пропофолом». Журнал нейрохирургической анестезиологии . 8 (1): 40–6. дои : 10.1097/00008506-199601000-00010 . ПМИД 8719192 .
- ^ Jump up to: а б с д Бхаттачарья, Сурья; Бисвас, Арунава; Мукерджи, Джаянта; Маджумдар, Арун Кумар; Маджумдар, бандана; Мукерджи, Сучандра; Сингх, Арун Кумар (1 ноября 2013 г.). «Обнаружение артефактов от всплесков высокой энергии на ЭЭГ новорожденных». Компьютеры в биологии и медицине 43 (11): 1804–1814. doi : 10.1016/j.compbiomed.2013.07.031 . ПМИД 24209926 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж Чемали, Джессика; Чинг, ШиНунг; Пердон, Патрик Л; Солт, Кен; Браун, Эмери Н. (1 октября 2013 г.). «Алгоритмы вероятности подавления всплесков: методы в пространстве состояний для отслеживания подавления всплесков ЭЭГ» . Журнал нейронной инженерии . 10 (5): 056017. Бибкод : 2013JNEng..10e6017C . дои : 10.1088/1741-2560/10/5/056017 . ПМЦ 3793904 . ПМИД 24018288 .
- ^ Jump up to: а б Ли, Джэюн; Сон, У-Джин; Ли, Хян Вун; Шин, Хён Чхоль (2016). «Новая сегментация подавления всплесков в совместной частотно-временной области для ЭЭГ при лечении эпилептического статуса» . Вычислительные и математические методы в медицине . 2016 : 2684731. doi : 10.1155/2016/2684731 . ПМК 5107253 . ПМИД 27872655 .
- ^ Ли, Джэюн; Шин, Хён Чхоль (2019). «Сегментация ЭЭГ с подавлением всплесков с использованием адаптивной бинаризации во временной и частотной областях» . Доступ IEEE . 7 : 54550–54561. Бибкод : 2019IEEA...754550L . дои : 10.1109/ACCESS.2019.2910869 .
- ^ Jump up to: а б Виджн, ПК; Снейд, младший (1 сентября 1998 г.). «Внутривенная анестезия и подавление взрывов ЭЭГ у крыс: болюсные инъекции и закрытые инфузии» . Британский журнал анестезии . 81 (3): 415–421. дои : 10.1093/бья/81.3.415 . ПМИД 9861133 .
- ^ Фрелих, Джоэл; Джонсон, Мика А.; МакАртур, Дэвид Л.; Луткенхофф, Эван С.; Делл'Италия, Джон; Настоящая, Кортни; Шреста, Викеш; Спивак, Норман М.; Руис Техеда, Хесус Э.; Веспа, Пол М.; Монти, Мартин М. (2021). «Подавление взрыва, вызванное седацией, предсказывает положительный результат после черепно-мозговой травмы» . Границы в неврологии . 12 : 750667. doi : 10.3389/fneur.2021.750667 . ISSN 1664-2295 . ПМЦ 8727767 . ПМИД 35002918 .