Существует множество препаратов, которые анестезиологи могут использовать для того, чтобы вызвать потерю сознания у пациентов. То, как именно эти препараты заставляют мозг терять сознание, было давним вопросом, но нейробиологи Массачусетского технологического института теперь ответили на этот вопрос для одного из часто используемых препаратов для анестезии.

Используя новый метод анализа нейронной активности , исследователи обнаружили, что препарат пропофол вызывает потерю сознания, нарушая нормальный баланс мозга между стабильностью и возбудимостью. Препарат заставляет мозговую активность становиться все более нестабильной, пока мозг не теряет сознание.

«Мозг должен балансировать на грани между возбудимостью и хаосом. Он должен быть достаточно возбудимым, чтобы его нейроны могли влиять друг на друга, но если он становится слишком возбудимым, он скатывается в хаос. Пропофол, по-видимому, нарушает механизмы, которые удерживают мозг в этом узком рабочем диапазоне», — говорит Эрл К. Миллер, профессор нейронауки и член Института Пикауэра по обучению и памяти Массачусетского технологического института.

Результаты , опубликованные в журнале Neuron , могут помочь исследователям разработать более совершенные инструменты для мониторинга пациентов , находящихся под общей анестезией .

Миллер и Ила Фите, профессор мозговых и когнитивных наук, директор Центра интегративной вычислительной нейронауки им. К. Лизы Ян (ICoN) и сотрудник Института исследований мозга Макговерна Массачусетского технологического института, являются старшими авторами нового исследования. Аспирант Массачусетского технологического института Адам Эйзен и постдок Массачусетского технологического института Лео Козачков являются ведущими авторами статьи.

Потеря сознания.
Пропофол — это препарат, который связывается с ГАМК-рецепторами в мозге, подавляя нейроны, имеющие эти рецепторы. Другие анестезирующие препараты действуют на другие типы рецепторов, и механизм того, как все эти препараты вызывают потерю сознания, до конца не изучен.

Миллер, Фите и их студенты выдвинули гипотезу, что пропофол и, возможно, другие анестезирующие препараты влияют на состояние мозга, известное как «динамическая стабильность». В этом состоянии нейроны достаточно возбудимы, чтобы реагировать на новые входные данные, но мозг способен быстро восстановить контроль и не допустить их чрезмерного возбуждения.

Предыдущие исследования того, как анестезирующие препараты влияют на этот баланс, дали противоречивые результаты: некоторые предположили, что во время анестезии мозг становится слишком стабильным и невосприимчивым, что приводит к потере сознания. Другие обнаружили, что мозг становится слишком возбудимым, что приводит к хаотичному состоянию, которое приводит к потере сознания.

Одной из причин этих противоречивых результатов является то, что было трудно точно измерить динамическую стабильность в мозге. Измерение динамической стабильности при потере сознания помогло бы исследователям определить, является ли бессознательное состояние результатом слишком большой или слишком малой стабильности.

В этом исследовании ученые проанализировали электрические записи, сделанные в мозге животных, которым в течение часа вводили пропофол, в течение которого они постепенно теряли сознание. Записи были сделаны в четырех областях мозга, которые участвуют в зрении, обработке звука, пространственном осознании и исполнительной функции.

Эти записи охватывали лишь малую часть общей активности мозга, поэтому, чтобы преодолеть это, исследователи использовали технику, называемую встраиванием задержки. Эта техника позволяет исследователям характеризовать динамические системы из ограниченных измерений, дополняя каждое измерение измерениями, которые были записаны ранее.

Используя этот метод, исследователи смогли количественно оценить, как мозг реагирует на сенсорные сигналы, такие как звуки, или на спонтанные возмущения нейронной активности.

В нормальном бодрствующем состоянии нейронная активность резко возрастает после любого воздействия, а затем возвращается к исходному уровню активности. Однако после начала приема пропофола мозгу требовалось больше времени, чтобы вернуться к исходному уровню после этих воздействий, оставаясь в чрезмерно возбужденном состоянии. Этот эффект становился все более выраженным, пока животные не теряли сознание.

Это говорит о том, что подавление пропофолом активности нейронов приводит к обострению нестабильности, что приводит к потере сознания мозгом, говорят исследователи.

Лучший контроль анестезии
Чтобы проверить, смогут ли они воспроизвести этот эффект в вычислительной модели , исследователи создали простую нейронную сеть. Когда они увеличили ингибирование определенных узлов в сети, как это делает пропофол в мозге, активность сети стала дестабилизированной, подобно нестабильной активности, которую исследователи наблюдали в мозге животных, получавших пропофол.

«Мы рассмотрели простую модель цепи взаимосвязанных нейронов, и когда мы увеличили в ней торможение, мы увидели дестабилизацию. Таким образом, одно из наших предположений заключается в том, что увеличение торможения может привести к нестабильности, а это впоследствии связано с потерей сознания», — говорит Эйзен.

Как объясняет Фите, «Этот парадоксальный эффект, при котором усиление торможения дестабилизирует сеть, а не подавляет или стабилизирует ее, возникает из-за растормаживания. Когда пропофол усиливает тормозное влечение, это влечение подавляет другие тормозные нейроны, и результатом является общее повышение активности мозга».

Исследователи подозревают, что другие анестетики , действующие на разные типы нейронов и рецепторов, могут оказывать тот же эффект посредством разных механизмов — возможность, которую они сейчас изучают.

Если это окажется правдой, это может быть полезно для продолжающихся усилий исследователей по разработке способов более точного контроля уровня анестезии, который испытывает пациент. Эти системы, над которыми Миллер работает с Эмери Брауном, профессором медицинской инженерии имени Эдварда Худа Тэплина в Массачусетском технологическом институте, работают, измеряя динамику мозга и затем соответствующим образом корректируя дозировки лекарств в режиме реального времени.

«Если вы обнаружите общие механизмы, работающие в разных анестетиках, вы можете сделать их все безопаснее, подкрутив несколько ручек, вместо того, чтобы разрабатывать протоколы безопасности для всех разных анестетиков по одному за раз», — говорит Миллер. «Вам не нужна отдельная система для каждого анестетика, который они собираются использовать в операционной. Вам нужна система, которая сделает все».

Исследователи также планируют применить свою методику измерения динамической стабильности к другим состояниям мозга, включая нейропсихиатрические расстройства.

«Этот метод довольно эффективен, и я думаю, что будет очень интересно применить его к различным состояниям мозга, различным типам анестетиков, а также к другим нейропсихиатрическим состояниям, таким как депрессия и шизофрения», — говорит Фите.