Исследователи выяснили, как часто используемый общий анестетик вызывает потерю сознания, заставляя мозговую активность становиться все более нестабильной. Результаты могут привести к улучшению контроля анестезии в операционной и лечению таких состояний, как депрессия и шизофрения.

Уровень сознания пациента очень важен в здравоохранении и иногда считается жизненно важным признаком, указывающим на медицинский или неврологический статус пациента. Одной из ситуаций, в которой бессознательное состояние имеет решающее значение, является операционная, где используется общая анестезия, чтобы гарантировать, что пациент не будет чувствовать боли и останется неподвижным.

Ежедневно сотни тысяч людей подвергаются общей анестезии, и широко используется пропофол , анестетик и седативное средство. Хотя эффекты пропофола хорошо изучены, то, как он вызывает потерю сознания, не было. Однако новое исследование исследователей из Массачусетского технологического института дало ответы, изучив влияние пропофола на активность нейронов.

«Мозг должен работать на грани между возбудимостью и хаосом», — сказал Эрл Миллер, профессор нейробиологии в Институте обучения и памяти Пикауэра Массачусетского технологического института и соавтор исследования. «Он должен быть достаточно возбудимым, чтобы его нейроны могли влиять друг на друга, но если он становится слишком возбудимым, он скатывается в хаос. Пропофол, похоже, нарушает механизмы, которые удерживают мозг в этом узком рабочем диапазоне».

Многие теории сознания фокусируются на сетевой структуре мозга, которая интегрирует информацию и связывает различные части органа. Одна известная теория предполагает, что осознание происходит от «воспламенения», входа, который производит импульсы активности — или всплески — по всему мозгу. Здесь исследователи выдвинули гипотезу, что критическим фактором сознания является концепция «динамической стабильности», рабочий диапазон мозга, о котором говорил Миллер, и что пропофол и, возможно, другие анестетики мешают этой стабильности.

Измерение динамической стабильности, когда кто-то входит в бессознательное состояние, позволило бы исследователям определить, является ли бессознательное состояние результатом слишком большой или слишком малой стабильности. Другими словами, заставляет ли общий наркоз мозг становиться слишком стабильным и невосприимчивым, что вызывает бессознательное состояние, или бессознательное состояние, вызванное анестезией, вызвано состоянием перевозбуждения и хаоса? Предыдущие исследования дали противоречивые результаты: некоторые говорили, что анестетики вызывают стабильность, а некоторые — что хаос.

Исследователи в течение часа вводили животным пропофол, в течение которого они постепенно теряли сознание. Электрическая активность в четырех областях мозга, связанных со зрением, обработкой звука, пространственным восприятием и исполнительной функцией, была записана и проанализирована. Чтобы реконструировать общую активность мозга из своих частичных наблюдений данных, исследователи использовали метод, называемый встраиванием задержки с использованием теоремы Такенса .

Теперь эта теорема используется в разделе математики, называемом теорией динамических систем, которая сама по себе требует некоторой тяжелой математики, поэтому я сделаю ее максимально простой. Теорема Такенса о задержке вложения позволяет обменять время (частичные наблюдения данных) на пространство (полный аттрактор системы) для характеристики нелинейной динамической системы. «Аттрактор» — это состояние или поведение, к которому динамическая система стремится развиваться, независимо от ее начальных условий.

В бодрствующем мозге нейронная активность резко возрастает после любого ввода, прежде чем вернуться к своему базовому уровню активности. Однако исследователи заметили, что после начала введения пропофола мозгу животных требовалось больше времени, чтобы вернуться к базовому уровню после ввода, например, звуков, и он оставался в перевозбужденном состоянии. Эффект становился все более выраженным, пока животные не теряли сознание, что позволяет предположить, что пропофол подавляет нейронную активность, что приводит к растущей нестабильности и в конечном итоге потере сознания.

Затем исследователи воспроизвели эффект, используя модель вычислительной нейронной сети.

«Мы рассмотрели простую модель цепи взаимосвязанных нейронов, и когда мы включили в нее торможение, мы увидели дестабилизацию», — сказал Адам Эйзен, аспирант Массачусетского технологического института и ведущий автор исследования. «Итак, одно из предположений, которое мы предлагаем, заключается в том, что увеличение торможения может вызвать нестабильность, и это впоследствии связано с потерей сознания».

Если вам кажется, что это звучит нелогично, то так оно и есть.

«Этот парадоксальный эффект, при котором усиление торможения дестабилизирует сеть, а не подавляет или стабилизирует ее, возникает из-за растормаживания», — объясняет Ила Фите, профессор нейробиологии и когнитивных наук и другой автор-корреспондент исследования. «Когда пропофол усиливает тормозное влечение, это влечение подавляет другие тормозные нейроны, и результатом является общее повышение активности мозга».

Пропофол действует на один тип нейронов и рецепторов, тогда как другие анестетики действуют на другие типы. В настоящее время исследователи изучают, достигают ли другие анестетики того же эффекта другими способами.

«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», — сказал 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 свой метод 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», — сказал Фите.