[論文レビュー] Characterization of Large-Scale Functional Brain Networks During Ketamine-Medetomidine Anesthetic Induction

Eduardo C. Padovani|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2016

Neural dynamics and brain function参考文献 41被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、脳内記録を用いてケタミン-メデトミジン麻酔下におけるマカクザルの大型機能的脳ネットワークをモデル化し、覚醒状態から麻酔状態への迅速な移行が、局所的および全身的レベルで機能的結合性とネットワーク統合性の低下を特徴としていることを明らかにした。研究結果は、『全脳シャットダウン』モデルに反し、無意識状態において神経ネットワークが動的で構造的かつ特異的な再編成を示すことを示している。

ABSTRACT

Several experiments provide evidence that specialized brain regions functionally interact and reveal that the brain processes and integrates information in a specific and structured manner. Networks can be applied to model brain functional activities, providing means to characterize and quantify this structured form of organization. Reports substantiate that different physiological states or diseases that affect the central nervous system may be associated with alterations in these networks, which might be reflected in graphs of different architectures. However, the relationship between their structure and the organism's distinct physiological conditions is poorly comprehended. Therefore, experiments that estimate the functional neural networks of subjects exposed to different controlled conditions are highly relevant. Within this context, this research has sought to model large-scale functional brain networks during an anesthetic induction process. The experiment was based on intra-cranial recordings of the neural activities of an old-world macaque of the species Macaca fuscata. Neural activity was recorded during a Ketamine-Medetomidine anesthetic induction process, and networks were estimated sequentially in five-second intervals. One and a half minutes after administering the anesthetics, changes occurred in various network properties, revealing a transition in the network architecture. During general anesthesia, functional connectivity and network integration capabilities were reduced at both local and global levels. Additionally, it has been verified that the brain shifted to a highly specific and dynamic state. The results provide empirical evidence and report the relationship between the induced state of anesthesia and functional network properties, contributing to the elucidation of novel aspects of the neural correlates of consciousness.

研究の動機と目的

• 覚醒状態から全身麻酔状態への移行期における大規模機能的脳ネットワークの特徴を明らかにすること。
• ケタミン-メデトミジンのような麻酔薬が機能的神経ネットワークの構造にどのように影響を与えるかを調査すること。
• 変化したネットワーク特性と意識の神経基盤との関係を明らかにすること。
• 麻酔誘導中に機能的結合性およびネットワーク統合性が動的に変化するかを評価すること。
• 構造的で均一でないネットワーク再編成を示すことで、一般的な『全脳シャットダウン』仮説に挑戦すること。

提案手法

• ケタミン-メデトミジン麻酔誘導中におけるマカクザル（Macaca fuscata）の脳内記録を収集した。
• 動的変化を捉えるために、5秒間隔で逐次的に機能的ネットワークを推定した。
• グラフベースのネットワーク解析を適用し、皮膚領域をノードとし、機能的結合性をエッジとした。
• 時間経過に伴う機能的結合性、局所的および全身的統合性、ノード中心性などのネットワーク特性を定量化した。
• 行動的反応（刺激への反応喪失など）に基づいて、覚醒状態から麻酔状態への移行点を特定した。
• 麻酔投与時刻および行動状態の変化と比較して、ネットワークトポロジーの変化を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ケタミン-メデトミジン麻酔誘導中に、大規模機能的脳ネットワークはどのように再編成されるか？
• RQ2 麻酔投与時刻および行動的無意識状態の喪失と比較して、ネットワークトポロジーに顕著な変化が生じる時間的ポイントはいつか？
• RQ3 麻酔は、局所的および全身的レベルで、機能的結合性およびネットワーク統合性をどの程度低下させるか？
• RQ4 麻酔状態では、脳は一般化したシャットダウン状態にあるのか、それとも構造的で動的な再編成を示すのか？
• RQ5 ネットワーク特性は、鎮静および無意識状態のような行動状態とどの程度相関しているか？

主な発見

• 全身麻酔状態では、局所的および全身的レベルで機能的結合性およびネットワーク統合性が顕著に低下した。
• 麻酔投与後20〜30秒の間に、ネットワーク構造に急速な移行が生じ、行動的無意識状態の喪失よりも前であった。
• 脳は、均一なシャットダウンではなく、特異的かつ動的な状態に移行した。これは、麻酔が均一な停止を引き起こすのではなく、再構成された機能的組織を生じることを示している。
• 頂点次数や結合パターンを含むネットワーク指標に、数秒のうちに顕著な変化が観察され、機能的神経活動の動的性質が裏付けられた。
• 機能的ネットワークの変化は、孤立した皮膚領域に限定されておらず、皮膚全体に影響を及ぼしており、結合性のグローバルな再編成を示している。
• 行動的無意識状態の喪失の瞬間に顕著なネットワーク変化が観察されなかったため、ネットワークの変化が行動の終点とは一致しないか、あるいはそれよりも前に行われた可能性がある。