Nowoczesne znieczulenie to jedno z najważniejszych osiągnięć medycyny. Podczas gdy wcześniej pacjenci musieli cierpieć piekielne cierpienia podczas każdej operacji, dziś znieczulenie umożliwia całkowicie bezbolesne zabiegi. Nic się nie czuje i potem nic nie pamięta. Wiadomo już z badań elektroencefalograficznych (EEG) na pacjentach, że podczas znieczulenia mózg wprowadzany jest w stan przypominający głęboki sen, w którym okresy rytmicznej aktywności elektrycznej przeplatają się z okresami całkowitej bezczynności. Ten stan nazywa się tłumieniem serii. Do tej pory nie było jasne, gdzie dokładnie ten stan zachodzi w mózgu i które obszary mózgu są zaangażowane.
Jednak to pytanie jest ważne dla lepszego zrozumienia zjawiska, a tym samym funkcjonowania mózgu w znieczuleniu. Naukowcy z Zakładu Funkcjonalnego Obrazowania w Niemieckim Centrum Badań Naczelnych (DPZ) — Leibniz Institute for Primate Research w Getyndze wykorzystali obrazowanie metodą funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (fMRI) do zbadania dokładnego rozkładu przestrzennego synchronicznie pracujących obszarów mózgu u znieczulonych ludzi z długimi ogonami makaki, marmozety pospolite i szczury. Udało im się po raz pierwszy wykazać, że obszary, w których widoczna jest tłumienie wybuchów, różnią się znacznie u naczelnych i gryzoni. Podczas gdy u szczurów duże części kory mózgowej synchronicznie wykazują wzór tłumienia impulsów, u naczelnych poszczególne obszary czuciowe, takie jak kora wzrokowa, są z niego wyłączone.
„Kiedy nie śpimy, nasz mózg można traktować jako pełny stadion piłkarski” — wyjaśnia Nikoloz Sirmpilatze, naukowiec z Zakładu Obrazowania Funkcjonalnego i główny autor badania. „Nasze aktywne neurony są jak dziesiątki tysięcy widzów, którzy mówią jednocześnie. Jednak w znieczuleniu aktywność neuronów jest zsynchronizowana. Możesz zmierzyć tę aktywność za pomocą EEG jako jednolitych fal, tak jakby wszyscy widzowie na stadionie śpiewali tę samą piosenkę W głębokim znieczuleniu pieśń ta jest wielokrotnie przerywana okresami ciszy, co nazywa się burst-supresją.Im głębsze znieczulenie, tym krótsze fazy jednostajnej aktywności, bursty, a im dłuższe okresowo powtarzające się fazy nieaktywne, tym zwanych tłumieniami”.
Zjawisko to jest powodowane przez wiele różnych środków znieczulających, z których niektóre różnią się mechanizmem działania. Tłumienie wybuchu jest również wykrywalne u pacjentów w śpiączce. Nie wiadomo jednak, czy stan ten jest reakcją ochronną mózgu, czy oznaką upośledzenia funkcjonowania. Nie jest również jasne, gdzie w mózgu występuje tłumienie pęknięć i które obszary mózgu są zaangażowane, ponieważ lokalizacja za pomocą samego EEG nie jest możliwa.
Aby odpowiedzieć na to pytanie, Nikoloz Sirmpilatze i zespół badawczy wykorzystali technikę obrazowania fMRI. Metoda uwidacznia zmiany przepływu krwi w mózgu. Zwiększona aktywność neuronów w określonym obszarze mózgu prowadzi do zwiększenia metabolizmu, a następnie zwiększonego dopływu krwi i tlenu w tym miejscu, co jest ostatecznie widoczne na obrazie fMRI.
W pierwszej części badania naukowcy stworzyli system do oceny danych fMRI u ludzi, małp i gryzoni w znormalizowany sposób przy użyciu tej samej metody. W tym celu wykorzystali zmierzone jednocześnie dane EEG i fMRI od znieczulonych pacjentów, które zostały wygenerowane we wcześniej przeprowadzonym badaniu na Politechnice Monachijskiej. „Najpierw sprawdziliśmy, czy tłumienie impulsów wykryte w EEG było również widoczne w danych fMRI i czy wykazywało pewien wzór” – mówi Nikoloz Sirmpilatze. „Na tej podstawie opracowaliśmy nowy algorytm, który umożliwił wykrywanie zdarzeń tłumienia burstów u zwierząt doświadczalnych za pomocą fMRI, bez dodatkowego pomiaru EEG”.
Następnie badacze wykonali pomiary fMRI u znieczulonych makaków długoogoniastych, marmozet zwyczajnych i szczurów. U wszystkich zwierząt byli w stanie wykryć i precyzyjnie zlokalizować tłumienie impulsów w funkcji stężenia środka znieczulającego. Przestrzenny rozkład tłumienia impulsów pokazał, że zarówno u ludzi, jak i u małp niektóre obszary sensoryczne, takie jak kora wzrokowa, zostały z niego wyłączone. W przeciwieństwie do tego, u szczurów cała kora mózgowa była dotknięta tłumieniem wybuchów.
„W tej chwili możemy tylko spekulować na temat przyczyn” – mówi Nikoloz Sirmpilatze, który za swoją pracę otrzymał Nagrodę Doktorską Niemieckiego Centrum Naczelnych w 2021 roku. „Naczelne orientują się głównie poprzez zmysł wzroku. Dlatego kora wzrokowa jest wysoce wyspecjalizowanym regionem, który różni się od innych obszarów mózgu specjalnymi typami komórek i strukturami. W przypadku szczurów tak nie jest. co dokładnie dzieje się w tych regionach podczas znieczulenia, aby ostatecznie zrozumieć, dlaczego tłumienie impulsów nie jest tam wykrywalne za pomocą fMRI”.
Susann Boretius, kierownik Zakładu Obrazowania Funkcjonalnego i starszy autor badania, dodaje: „Badanie nie tylko podnosi pytanie, w jakim stopniu gryzonie są odpowiednimi modelami w wielu obszarach badań nad ludzkim mózgiem, zwłaszcza jeśli chodzi o znieczulenie, ale wyniki mają również wiele implikacji dla neuronauki i ogólnie ewolucji sieci neuronowych”.