Исследование биоэлектрической активности головного мозга при проведении процедуры масочной ингаляции ксенон-кислородной смесью

В.И. Потиевская1, Ф.М. Шветский2, М.Б. Потиевский3

ФГБУ «НМИЦ радиологии» МЗ РФ, Москва

ГБУЗ «ГВВ № 2 ДЗМ», Москва

МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия

Для корреспонденции: Потиевская Вера Исааковна, д-р мед. наук, главный научный сотрудник ФГБУ «НМИЦ радиологии» Минздрава России; e-mail: vera.pot@mail.ru

Для цитирования: Потиевская В.И., Шветский Ф.М., Потиевский М.Б. Исследование биоэлектрической активности головного мозга при проведении процедуры масочной ингаляции ксенон-кислородной смесью. Вестник интенсивной терапии имени А.И. Салтанова. 2019;1:94–9. DOI: 10.21320/1818-474X-2019-1-94-99


Реферат

Инертный газ ксенон используется в качестве ингаляционного анестетика при проведении оперативных вмешательств, в том числе высокого риска, а также при болевом синдроме, обусловленном различными факторами. При использовании низких концентраций ксенона (ниже 50 %) или при кратковременном его воздействии сохраняются сознание и контакт с пациентом, а также присутствуют анальгетический и седативный эффекты анестетика. Исследовано 20 здоровых добровольцев в возрасте от 22 до 30 лет. Ингаляцию газовой смесью ксенон/кислород (70 и 30 %) осуществляли в течение 3 минут. Для оценки состояния обследуемых использовали регистрацию электроэнцефалограммы (ЭЭГ) до процедуры, в течение всей процедуры и через 30 минут после ее окончания. Для обработки ЭЭГ применялся метод спектрального анализа, при этом оценивался спектр мощности каждого диапазона ЭЭГ-ритмов (дельта, тета, альфа и бета). Статистическая обработка данных осуществлялась с помощью L-критерия тенденций Пейджа и парного критерия Т-Вилкоксона. В результате получено достоверное нарастание медленно-волновой ритмики и снижение ЭЭГ-мощности альфа-ритма во время процедуры и после нее, а также перераспределение зон активности в головном мозге. Данные изменения характерны для физиологического сна. Кратковременная ингаляция ксенон-кислородной смесью (70 % ксенона и 30 % кислорода) обладает седативным эффектом, что может быть использовано при проведении лечебных и диагностических процедур.

Ключевые слова: ксенон, ингаляционные анестетики, масочные ингаляции ксенон-кислородной смеси, электроэнцефалография, седация

Поступила: 07.10.2018

Принята к печати: 01.03.2019

Читать статью в PDF
Статистика Plum русский


Введение

Ксенон относится к инертным газам, которые в организме человека не вступают в биохимические реакции и не образуют соединений. В то же время описано взаимодействие ксенона с молекулами воды с образованием так называемых клатратных соединений, которые могут оказывать существенное влияние на функциональное состояние организма за счет депонирования различных субстанций [1]. Известно также о растворимости ксенона в липидах и взаимодействии ксенона с белками, ионами хлора и водорода, а также катионами HCO+, HN2+ и HNCH+.

Установлено, что ксенон оказывает тормозящее действие на NMDA-рецепторы и слабо воздействует на ГАМК-рецепторы. Ксенон ингибирует NMDA-рецепторы, конкурентно взаимодействуя с центром, связывающим их коагонист глицин. Ингибирование NMDA-рецепторов путем связывания с ними ксенона обусловливает анальгетические, наркотические и нейропротективные свойства этого газа [2, 3]. Согласно современным представлениям, ксенон, не вступая в химические реакции, временно и обратимо изменяет функции нейронов по передаче ноцицептивных и неноцицептивных стимулов. Клинические исследования показали, что уже в малой концентрации ксенон влияет на синаптическую передачу предположительно в области желатинозной субстанции и 2-й пластины Рекседа задних рогов спинного мозга [1]. При более продолжительном воздействии отмечается воздействие ксенона на таламические и гипоталамические структуры.

Ксенон используется в качестве ингаляционного анестетика при проведении различных оперативных вмешательств, в том числе нейрохирургических операций [4] и операций высокого риска [5]. Масочные ксенон-кислородные ингаляции применяются для анальгезии при болевом синдроме, обусловленном различными факторами [6], а также при кратковременных хирургических манипуляциях (венесекция, грыжесечение, перевязки ожоговых пациентов и др.) [7]. При концентрации от 20 до 50 % ксенона сохраняются спонтанное дыхание, сознание и контакт с пациентом. При более высокой концентрации ксенона сознание может также сохраняться в течение короткого промежутка времени (несколько минут), затем наступает хирургическая стадия наркоза, т. к. минимальная альвеолярная концентрация ксенона (МАК) составляет, по различным данным, от 55 до 70 % [8]. В то же время при концентрации ксенона 50–70 % можно ожидать большей выраженности анальгетического эффекта, что является важным условием при проведении инвазивных вмешательств, поэтому в задачи данного исследования входило изучение влияния кратковременной ингаляции ксенон-кислород- ной смесью с содержанием ксенона 70 % на функциональное состояние головного мозга.

Параметры различных характеристик биопотенциалов коры головного мозга (в частности, показатели мощности ЭЭГ) являются надежными маркерами состояния пациента при физическом утомлении, психоэмоциональном стрессе и могут служить для оценки эффективности проведенных лечебно-профилактических мероприятий [8—10]. В работах Николаева Л.Л. [11] и Рыловой А.В. и соавт. [12] показана целесообразность применения ЭЭГ для изучения воздействия ксенона на организм человека. Кроме того, с помощью анализа ЭЭГ доказана безопасность применения ксенона в качестве компонента общей анестезии во время нейрохирургических операций, выявлены схожие изменения биоэлектрической активности головного мозга при применении ксенона и пропофола [12]. Однако вопрос влияния ксенона на биоэлектрическую активность головного мозга остается недостаточно изученным, т. к. не проводились исследования моноанестезии ксеноном без использования дополнительных препаратов для премедикации и индукции, что и предопределило цель нашего исследования.

Цель исследования: изучить влияние ингаляции ксенон-кислородной смесью на биоэлектрическую активность головного мозга у здоровых добровольцев.

Методика

Ксенон-кислородные ингаляции были проведены однократно у 20 здоровых испытуемых в возрасте от 22 до 30 лет после получения информированного согласия и разрешения комиссии этического комитета ГБУЗ «ГВВ № 2 ДЗМ».

Для исследования биоэлектрической активности головного мозга при проведении процедуры ингаляции ксенон-кислородной смесью выполняли регистрацию биопотенциалов коры головного мозга с использованием электроэнцефалографа-анализатора ЭЭГА-21/26 «ЭНЦЕФАЛАН 131-03», который позволяет проводить отображение, мониторирование, запись и просмотр сигналов ЭЭГ с высоким разрешением и широким выбором скорости развертки и чувствительности, а также визуализацию маркеров функциональных проб и событий. ЭЭГ регистрировали от 14 стандартных отведений по международной системе 10–20 % фронтальных (F), центральных (C), темпоральных (T), париетальных (P) и окципитальных (O) областей обеих гемисфер неокортекса относительно референтных (ушных) электродов до и после процедуры. Производилось автоматическое подавление артефактов, связанных с горизонтальными и вертикальными движениями глаз, мышечной активностью, влиянием ЭКГ-сигнала. Для обработки ЭЭГ использовался метод спектрального анализа (на основе быстрого преобразования Фурье), который также позволяет оценивать функциональное состояние отдельных зон коры. Оценивали спектр мощности каждого диапазона ЭЭГ-ритмов (δ, θ, α и β) с определением δ-, θ-, α- и β-индексов (индекс — процент времени присутствия определенного вида ЭЭГ-активности за определенный период времени). Применение этого метода анализа дает возможность судить о функциональном состоянии коры головного мозга в целом, а также отдельных ее зон, что, в свою очередь, позволяет говорить о нейрофизиологических механизмах ответа центральной нервной системы на действие различных факторов.

Ингаляцию газовой смесью ксенон/кислород (70 % и 30 % соответственно) выполняли на аппарате «МИГи-АМЦ»  (Россия). Контроль газового состава смеси осуществляли при помощи газоанализатора «ГКМ03-ИНСОФТ» (Россия). ЭЭГ регистрировалась непрерывно. Значения ЭЭГ-индексов оценивались до начала процедуры, во время процедуры и через 30 минут после ее окончания.

Статистическая обработка данных заключалась в оценке достоверности зафиксированных изменений с помощью непараметрических методов: L-критерия тенденций Пейджа и парного Т-критерия Вилкоксона.

Результаты и обсуждение

Электроэнцефалограмма отражает динамические процессы, происходящие в головном мозге, поэтому даже при отсутствии каких-либо внешних раздражителей в ней наблюдаются существенные изменения в виде синхронизации, десинхронизации, временных асимметрий, обусловленные спонтанными колебаниями уровня функциональной активности во время регистрации, поэтому в фоновом периоде отмечалась полиморфная активность различной амплитуды с наличием в спектре ЭЭГ α-, β-, θ- и δ-волн. Уже на начальных стадиях процедуры паттерн ЭЭГ претерпевал изменения, что выражалось в нарастании медленноволновой ритмики у испытуемых. Затем отмечалось нарастание относительной мощности медленноволновой активности с формированием локусов θ- и δ-ритма. Наиболее типичная их локализация отмечена в лобных долях, преимущественно слева.

Так, во время непосредственного вдыхания ксенона относительные значения мощности (ОЗМ) частот δ-2-диапазона превышают фоновые значения в среднем на 49 % (рис. 1), р ≤ 0,01 по Т-критерию Вилкоксона. В дальнейшем в течение 20–30 минут ЭЭГ-мощность δ-2-диапазона оставалась выше исходных значений в среднем на 12 %, р ≤ 0,05. Различия между измерениями значимы по L-критерию Пейджа, р ≤ 0,01, это говорит о том, что полученные данные образуют единый ряд достоверно отличающихся друг от друга значений.

Рис. 1. Изменения различий ЭЭГ-мощности в различных волновых спектрах под действием ингаляции ксенон-кислородной смеси (70/30) в течение 3 минут (%), n = 20, данные представлены в виде медианы

* — изменения достоверны по сравнению с исходными значениями, p < 0,05;

** — изменения достоверны по сравнению с исходными значениями, p < 0,01.

Ингаляции ксеноном приводили к преимущественному росту ЭЭГ-мощности δ-2-диапазона в отведениях О2, F4 и F3 в среднем на 41 %, 24,8 % и 30 % соответственно, все изменения достоверны по Т-критерию Вилкоксона, р ≤ 0,05 (рис. 2). После окончания процедуры в течение 20–30 минут спектральная ЭЭГ-мощность δ-2-ритма в отведениях О2, F4 и F3 остается повышенной в среднем на 34,7, 20,6 и 12 % соответственно по сравнению с фоном, р ≤ 0,05.

Рис. 2. Изменения зональных различий ЭЭГ-мощности в δ-2 диапазоне под действием ингаляции ксенон-кислородной смеси (70/30) в течение 3 минут (%), n = 20, данные представлены в виде медианы.

* — изменения достоверны по сравнению с исходными значениями, p < 0,05.

Несмотря на то что статистически значимых изменений суммарных значений ОЗМ θ-диапазона выявлено не было (см. рис. 1), после проведения процедуры ингаляции ксеноном наблюдалось достоверное увеличение ОЗМ θ-ритма в отведениях О1 и F3 в среднем на 12,3 и 9,6 % соответственно, р ≤ 0,05 по Т-критерию Вилкоксона (рис. 3).

Рис. 3. Изменения зональных различий ЭЭГ-мощности  в θ-диапазоне под действием ингаляции ксенон-кислородной смеси (70/30) в течение 3 минут (%), n = 20, данные представлены в виде медианы

* — изменения достоверны по сравнению с исходными значениями, p < 0,05

В результате исследования выявлено достоверное снижение суммарной ЭЭГ-мощности α-ритма во время ингаляции ксеноном с последующим восстановлением (при исследовании через 30 минут после завершения ингаляции) (см. рис. 1). В отдельных отведениях (O1, О2, F3, F4) достоверных изменений выявлено не было (рис. 4), однако во время непосредственного вдыхания анестетика отмечалось распространение α-ритма в лобные доли: разница O1–F3 снизилась на 13 %, а О2–F4 — на 32 %, р ≤ 0,01 и р ≤ 0,05 соответственно. В целом отмечалось достоверное снижение спектральной активности α-ритма в среднем на 13 %, р ≤ 0,05 по Т-критерию Вилкоксона, при этом наиболее выраженным он оставался в затылочных долях головного мозга. После окончания процедуры этот показатель начинал увеличиваться, но оставался достоверно ниже исходных величин в среднем на 4 %, р ≤ 0,05. При этом наблюдалось перераспределение мощности α-диапазона в коре головного мозга. После процедуры ингаляции ксеноном α-ритм стал более выраженным в затылочных отделах коры: разница O1–F3 увеличилась в среднем на 13 %, р ≤ 0,01 по Т-критерию Вилкоксона (рис. 5).

Рис. 4. Изменения зональных различий ЭЭГ-мощности в α-диапазоне под действием ингаляции ксенон-кислородной смеси (70/30) в течение 3 минут (%), n = 20, данные представлены в виде медианы, изменения недостоверны по сравнению с исходными значениями

Рис 5. Изменения разницы между значениями ЭЭГ- мощности в отведениях О2 и F4, O1 и F3 в α-диапазоне под действием ингаляции ксенон-кислородной смеси (70/30) в течение 3 минут (%), n = 20, данные представлены в виде медианы

* — изменения достоверны по сравнению с исходными значениями, p < 0,05;

** — p < 0,01.

В ходе работы значимого влияния ингаляций ксеноном на спектральную ЭЭГ-мощность β-1-диапазона выявлено не было (см. рис. 1, 6).

Рис. 6. Изменения зональных различий ЭЭГ-мощности в β-диапазоне под действием ингаляции ксенон-кислородной смеси (70/30) в течение 3 минут (%), n = 20, данные представлены в виде медианы, изменения недостоверны по сравнению с исходными значениями

Следует отметить, что при вдыхании ксенона практически в каждом случае отмечались психофизиологические феномены (сновидения, аудиовизуальные иллюзии, нарушение ориентации в пространстве и времени), которые свидетельствовали об изменении уровня сознания испытуемых. Снижение уровня бодрствования соответствовало поверхностной седации (в пределах до –1…–2 балла по шкале RASS). После прекращения ингаляции ксенон-кислородной смеси восстанавливалось ясное сознание. Таким образом, во время воздействия ксенона наблюдался седативный эффект.

Анализ динамики электрической активности коры головного мозга в процессе дыхания ксенон-кислородной смесью позволяет провести аналогию с соответствующей динамикой во время сна. Это предположение подтверждается анализом ЭЭГ: при ингаляциях ксенон-кислородной смеси наблюдается сходство с ЭЭГ дневного сна. Так же как и при дневном сне, усиление ЭЭГ-мощности δ- и θ-ритмов происходит одновременно с перемещением зон медленно-волновой активности между обоими полушариями, сопровождается появлением фокусов α-активности в затылочных долях, преимущественно слева. Полученные результаты сходны с данными, описанными в работе Л.Л. Николаева [11], в которой проводилась ингаляция ксенон-кислородной смесью (60/30) в качестве компонента комбинированного наркоза. Отличием от результатов нашей работы явилось доминирование θ-ритма, тогда как в данном исследовании на первое место выходит повышение ЭЭГ-мощности δ-ритма и перераспределение α-ритма между отделами головного мозга.

В настоящее время считается, что α-ритм определяется таламо-кортикальными нейронными сетями и обусловливает взаимодействие субъекта с внешним миром. Активность в δ-диапазоне, по мнению Basar E., в ряде случаев может свидетельствовать о функционировании механизмов, направленных на определение новизны поступающего сигнала и его категоризацию [13]. В то же время увеличение δ-активности характерно для глубокого сна и рассматривается большинством исследователей как признак снижения уровня функционального состояния мозга [14]. Возможно также, что данные изменения связаны с отключением внимания от внешней среды, обусловленным активацией кортикальных проекций на таламус. Таким образом, усиление спектральной мощности низкочастотных составляющих ЭЭГ при снижении активности α-ритмики указывает на сдвиги в деятельности субкортикальных структур, в частности ретикуло-таламо-кортикальных взаимодействий. Сделанные в ходе выполнения работы наблюдения позволяют выявить специфические особенности биоэлектрической активности мозга при ингаляции ксеноном. При этом уровень седации во время процедуры был поверхностным. По окончании процедуры в течение 5–15 минут наблюдалось постепенное снижение спектральной мощности медленноволновой активности, что сопровождалось постепенным возвращением к обычному состоянию сознания. Тем не менее спектральная выраженность δ-ритма оставалась выше исходных значений еще на протяжении 20–30 минут.

Выводы

Электроэнцефалография может использоваться для оценки воздействия ксенонового наркоза на функциональное состояние головного мозга.

Ингаляция ксенона приводит к нарастанию медленноволновой ритмики и снижению ЭЭГ-мощности α-ритма и не влияет на β-ритм.

Ксенон вызывает перераспределение зон волновой активности ЭЭГ, аналогично тому, как это происходит во время физиологического сна.

Кратковременная ингаляция ксенон-кислородной смесью (70 % ксенона и 30 % кислорода) обладает седативным эффектом, что может быть использовано при проведении лечебных и диагностических процедур.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Вклад авторов. Потиевская  В.И.  —  написание и редактирование статьи, научное руководство; Шветский Ф.М. — набор материала, написание статьи; Потиевский М.Б. — статистическая обработка данных, написание статьи.

ORCID авторов

Потиевская В.И. — 0000-0002-2459-7273

Шветский Ф.М. — 0000-0003-2954-5007

Потиевский М.Б. — 0000-0002-8514-8295


Литература

  1. Буров Н.Е., Потапов В.Н. Ксенон в медицине: очерки по истории и применению медицинского ксенона. М.: Пульс, 2012.
  2. [Burov N.E., Potapov V.N. Ksenon v medicine: ocherki po istorii i primeneniyu medicinskogo ksenona (Xenon in medicine: history and using). Moscow: Pulʼs Publ., 2012.  (In Russ)]
  3. Lu Tian Liu, Yan Xu, Pei Tang B. Mechanistic Insights into Xenon Inhibition of NMDA Receptors from MD Simulations. J Phys Chem. 2010; 114(27): 9010–9016.
  4. Petrenko A.B., Yamakura T., Sakimura K., Baba H. Defining the role of NMDA receptors in anesthesia: are we there yet? Eur. J. Pharmacol. 2014; 15(1): 723: 29–37.
  5. Рылова А.В., Лубнин А.Ю. Динамика внутричерепного давления во время ксеноновой анестезии у нейрохирургических больных без внутричерепной гипертензии. Анестезиология и реаниматология. 2011; 4: 13–17.
  6. [Rylova A.V., Lubnin A.Yu. Dinamika vnutricherepnogo davleniya vo vremya ksenonovoj anestezii u nejrohirurgicheskih bolʼnyh bez vnutricherepnoj gipertenzii. Anesteziologiya i reanimatologiya (Intracranial pressure changes during xenon anesthesia in neurosurgical patients without intracranial hypertention). Anesteziologiya i Reanimatologiya. 2011; 4: 13–17. (In Russ)]
  7. Козлов И.А. Ксенон при кардиохирургических операциях. Комплексный анализ. Вестник интенсивной терапии. 2007; 3: 45–53.
  8. [Kozlov I.A. Xenon in heart surgeries. Complex analysis. Vestnik intensivnoj terapii. 2007; 3: 45–53. (In Russ)]
  9. Шебзухова Е.Х., Потиевская В.И, Молчанов И.В. Лечебный наркоз ксеноном при остром коронарном синдроме. Вестник интенсивной терапии. 2014; 5: 95–98.
  10. [Shebzuhova E.H., Potievskaya V.I., Molchanov I.V. Xenon treatment in patients with acute coronary syndrome. Vestnik intensivnoj terapii. 2014; 5: 95–98. (In Russ)]
  11. Буров Н.Е., Молчанов И.В., Николаев Л.Л. Ксенон в медицине: прошлое, настоящее и будущее. Клиническая практика. 2011; 2: 4–11.
  12. [Burov N.E., Molchanov I.V., Nikolaev L.L. Xenon in medicine: history, nowadays and future. Klinicheskaya praktika. 2011; 2: 4–11. (In Russ)]
  13. Буров Н.Е., Потапов В.Н., Макеев Г.Н. Ксенон в анестезиологии. Клинико-экспериментальные исследования. М.: Пульс, 2000.
  14. [Burov N.E., Potapov V.N., Makeev G.N. Ksenon v anesteziologii. Kliniko-ehksperementalʼnye issledovaniya (Xenon in anesthesiology. Clinical and experimental studies). Moscow: Pulʼs Publ., 2000. (In Russ)]
  15. Bosl W.J. The emerging role of neurodiagnostic informatics in integrated neurological and mental health care. Neurodiagn. J. 2018; 58(3): 143–153. DOI: 10. 1080/21646821.2018.1508983
  16. Ann S., Prim J.H., Alexander M.L., et al. Identifying and engaging neuronal oscillations by transcranial alternating current stimulation in patients with chronic low back pain: a randomized crossover, double-blind, sham-controlled pilot study. J. Pain. 2018; 27(9): 1526–1559. DOI: 10.1016/jpain2018.09.004
  17. Николаев Л.Л. Варианты низкопоточной анестезии ксеноном. М: Город, 2014.
  18. [Nikolaev L.L. Varianty nizkopotochnoj anestezii ksenonom. (Types of lowflow Xenon anesthesia). Moscow: Gorod Publ., 2014. (In Russ)]
  19. Рылова А.В., Сазонова О.Б., Лубнин А.Ю., Машеров Е.Л. Изменения биоэлектрической активности мозга в условиях ксеноновой анестезии у нейрохирургических больных. Анестезиология и реаниматология. 2010; 2: 31–33.
  20. [Rylova A.V., Sazonova O.B., Lubnin A.Yu., Masherov Ye.L. Izmeneniya bioehlektricheskoj aktivnosti mozga v usloviyah ksenonovoj anestezii u nejrohirurgicheskih bolʼnyh (Changes in brain bioelectrical activity during xenon anesthesia in neurosurgical patients). Anesteziologiya i Reanimatologiya. 2010; 2: 31–33. (In Russ)]
  21. Basar E. Brain Function and Oscillations. Integrative Brain Function, Neurophysiology and Cognitive Processes. Berlin: Springer Verlag, 1999; 2: 213–254.
  22. Klimesch W. EEG alpha and theta oscillations reflect cognitive and memory performance: A review and analysis. Brain Research Reviews. 1999; 29: 169–195.