La perdita di coscienza indotta dal propofol è correlata a una diminuzione della connettività talamocorticale
L’anestesia generale è uno stato transitorio di incoscienza che milioni di individui sperimentano ogni anno. Mentre l’azione degli anestetici a livello molecolare è stata ben caratterizzata, come questa si traduca in perdita di coscienza non è ancora completamente compreso. Questo è particolarmente importante nella clinica dei pazienti con patologie neurologiche in quanto possono presentare differenti pattern di responsività agli anestetici. Per esempio, pazienti affetti da malattia di Parkinson mostrano alterata sensibilità agli agenti anestetici GABAercici come il propofol. All’EEG, l’anestesia, è generalmente caratterizzata da un aumento della potenza nelle frequenze basse (512 Hz) e da uno shift nella localizzazione delle oscillazioni dalla corteccia occipitale alla frontale. Quest’ultimo è un fenomeno ben riconosciuto e studiato associato alla perdita di coscienza indotta dagli anestetici, in particolare con l’anestetico intravenoso propofol. Le basi neurofisiologiche dei cambiamenti dello stato di coscienza indotti dal propofol e l’associato aumento della potenza corticale rimangono non chiare, in particolare se siano relazionati ai circuiti talamocorticali. L’obiettivo di questo lavoro è stato quello di sfruttare l’opportunità unica di registrare invasivamente dal sistema talamocorticale nell’umano per determinare se i cambiamenti neurofisiologici comportamentali e corticali visti con la somministrazione di propofol siano dovuti ad un aumento o ad una diminuzione dell’accoppiamento funzionale talamocorticale. Dipanare il circuito della perdita di coscienza associata all’anestesia potrebbe fornire importanti informazioni per la comprensione dei disordini della coscienza.
Sempre piú letteratura suggerisce che l’anestesia generale sia caratterizzata da una significativa perturbazione nelle comunicazioni interregionali encefaliche. Alcuni studi postulano un ruolo centrale del talamo per il mantenimento dello stato di coscienza attraverso la comunicazione con la corteccia cerebrale, suggerendo che l’anestesia abbia come target il sistema talamocorticale. Altri propongono che l’anestesia alteri principalmente la comunicazione cortico-corticale, con cambiamenti nel talamo che semplicemente riflettono una diminuzione degli input da queste regioni corticali. In contrasto con la teoria dell’interruzione del coupling interregionale correlato all’anestesia, uno studio ha suggerito che l’attività frontale alfa emerga da un aumento del coupling reciproco nella banda alfa tra talamo e corteccia come risultato di una potenziazione GABA-A elicitata dal propofol.
Recentemente, studi sull’anestesia con EEG hanno iniziato a descrivere la presenza di un accoppiamento corticale fase-ampiezza (PAC), nel quale l’ampiezza di una banda a più alta frequenza è limitata dalla fase di un’altra. PAC è sempre più riconosciuto come un importante fenomeno parte delle funzioni neurofisiologiche normali e patologiche. Quanto un soggetto transiziona in uno stato di incoscienza indotto dal propofol, l’ampiezza dell’attività corticale alfa/beta è piú alta nelle depressioni delle oscillazioni a onde lente, mentre durante la sedazione profonda, con alti livelli di propofol, il trend è opposto: l’ampiezza alfa/beta è maggiore durante i picchi delle oscillazioni a bassa frequenza. In precedenza, gli autori avevano riportato, usando la registrazione invasiva, la presenza di PAC talamocorticale, nel quale le oscillazioni talamiche guidavano l’ampiezza delle oscillazioni corticali ad alta frequenza. In accordo con questo, recenti modelli suggeriscono che i cambiamenti indotti dall’anestesia nel talamo possano essere responsabili di questi PAC osservati. Tuttavia, queste teorie non sono ancora state testate formalmente con registrazioni dirette nelle aree talamiche e corticali nell’umano. In questo lavoro viene fornito un modello per studiare i cambiamenti indotti dall’anestesia nel sistema talamocorticale umano usando un ben caratterizzato network talamocorticale che si sa possedere connettività strutturale. Nello specifico sono state usate registrazioni invasive intracraniali per studiare l’elettrofisiologia dei nuclei ventrali intermedi (VIM) del talamo e della corteccia sensori-motoria durante l’anestesia. La connettività funzionale è stata valutata usando misurazioni multiple del coupling neurofisiologico quali coerenza, PAC e misure di causalità.
Sono stati arruolati 10 soggetti affetti da tremore essenziale sottoposti all’impianto di device di stimolazione cerebrale profonda (DBS) nel nucleo VIM talamico. Sono stati registrati i concorrenti potenziali di campo locale (LFP) dal VIM e l’elettrocorticografia della corteccia frontale ipsilaterale (ECOG) durante il riposo durante l’impianto della DBS in stato di veglia e dopo la somministrazione intravenosa di propofol. Tutti i farmaci a lunga e breve durata d’azione sono stati sospesi per 12 ore prima della chirurgia. Inoltre, è stato acquisto neuroimaging pre e post operatorio. Prima dell’impianto del DBS, uno strip ECOG a 8 contatti veniva temporaneamente introdotto subduralmente attraverso il foro usato come guida per il DBS fino a livello dell’area sensorimotoria della corteccia. I LFP sono stati registrati con elettrodi e il segnale amplificato. Gli elettrodi di riferimento e la terra sono stati posti sullo scalpo.
Le registrazioni iniziavano con il paziente in uno stato di riposo vigile con gli occhi aperti per 1 minuto, dopo di che veniva somministrato il propofol in accordo al giudizio clinico dell’anestesista in assistenza alla chirurgia. La registrazione era continua e i pazienti venivano valutati verbalmente per lo meno ogni 15-30 secondi dopo la somministrazione del propofol per assicurare e determinare la tempistica della perdita di responsività.
A conferma di studi precedenti, è stato osservato un aumento della potenza nella bassa frequenza (512 Hz) in tutti i siti di registrazione talamici e corticali. L’aumento dell’attività corticale può essere in parte correlato alla chiusura degli occhi, questo è un potenziale fattore di confondimento di tutti gli studi degli effetti dell’anestesia. È stato anche trovato un aumento della potenza della frequenza alta (412 Hz) nel talamo, già osservato durante l’anestesia usando registrazione invasiva sia in animale che nell’umano. Queste evidenze unite probabilmente rappresentano una diminuzione globale dell’attività neuronale in queste regioni. Una diminuzione della potenza talamica, in particolare, è consistente con evidenze precedenti che hanno mostrato una diminuzione del segnale livello dipendente di ossigenazione sanguigna (BOLD) nel talamo misurato con risonanza magnetica funzionale, considerando che il segnale BOLD è stato essere trovato congruente con la potenza ad alta frequenza. Mentre queste osservazioni confermano lavori precedenti così come la validità delle registrazioni stesse, i concomitanti cambiamenti del coupling funzionale talamocorticale fornisce una grande novità.
Le analisi correnti forniscono evidenza diretta che la perdita di coscienza indotta dal propofol e i cambiamenti nella fisiologia corticale sono correlati più a una perdita che a un potenziamento della connettività talamocorticale, misurato con PAC.
In conclusione, il differente pattern dei cambiamenti correlati al propofol della funzionalità corticale tra i siti di registrazione talamocorticali evidenzia l’importanza della valutazione simultanea strutturale e della connettività funzionale, e di considerare con attenzione i differenti pattern di cambiamenti funzionali spettro-specifici che possono essere osservati in distinte regioni corticali e talamiche.
Propofol-induced loss of consciousness is associated with a decrease in thalamocortical connectivity in humans
Mahsa Malekmohammadi, Collin M. Price, Andrew E. Hudson, Jasmine A.T. DiCesare and Nader Pouratian
https://academic.oup.com/brain/article-abstract/142/8/2288/5522532?redirectedFrom=fulltext