Postoje mnogi lijekovi koje anesteziolozi mogu koristiti za izazivanje nesvjestice kod pacijenata. Kako točno ti lijekovi uzrokuju gubitak svijesti mozga dugo je bilo pitanje, ali neuroznanstvenici MIT-a sada su odgovorili na to pitanje za jedan često korišteni lijek za anesteziju.
Koristeći novu tehniku za analizu aktivnosti neurona, istraživači su otkrili da lijek propofol izaziva nesvjesticu remećenjem normalne ravnoteže mozga između stabilnosti i ekscitabilnosti. Droga uzrokuje da aktivnost mozga postaje sve nestabilnija, sve dok mozak ne izgubi svijest, piše MIT.
“Mozak mora djelovati kao na oštrici noža između uzbuđenja i kaosa. Mora biti dovoljno uzbudljiv da njegovi neuroni utječu jedni na druge, ali ako postane previše uzbudljiv, nastane kaos. Čini se da propofol remeti mehanizme koji drže mozak u tom uskom radnom rasponu,” kaže Earl K. Miller, profesor neuroznanosti iz Picowera i član MIT-ovog Instituta za učenje i pamćenje Picower.
Nova otkrića, objavljena u časopisu Neuron, mogla bi pomoći istraživačima da razviju bolje alate za praćenje pacijenata dok se podvrgavaju općoj anesteziji.
Gubitak svijesti
Propofol je lijek koji se veže na GABA receptore u mozgu, inhibirajući neurone koji imaju te receptore. Drugi lijekovi za anesteziju djeluju na različite vrste receptora, a mehanizam kako svi ti lijekovi dovode do nesvjestice nije u potpunosti shvaćen.
Miller i Illa Fiete, profesorica mozga i kognitivnih znanosti, direktorica K. Lisa Yang Integrative Computational Neuroscience Center (ICoN) i članica McGovern Instituta za istraživanje mozga MIT-a, i njihovi studenti pretpostavili su da propofol, a vjerojatno i drugi lijekovi za anesteziju, ometaju stanje mozga poznato kao "dinamička stabilnost". U tom stanju, neuroni imaju dovoljno ekscitabilnosti da odgovore na novi unos, ali mozak je u stanju vratiti kontrolu i spriječiti ih da postanu pretjerano uzbuđeni.
Prethodne studije o tome kako lijekovi za anesteziju utječu na ovu ravnotežu dale su proturječne rezultate: neki su sugerirali da tijekom anestezije mozak ide prema tome da postane jako stabilan i ne reagira, što dovodi do gubitka svijesti. Drugi su otkrili da mozak postaje previše uzbuđen, što dovodi do kaotičnog stanja koje rezultira nesvjesticom.
Dio razloga za ove proturječne rezultate je to što je bilo teško točno izmjeriti dinamičku stabilnost u mozgu. Mjerenje dinamičke stabilnosti pri gubitku svijesti pomoglo bi istraživačima da utvrde je li nesvjestica rezultat prevelike stabilnosti ili premale stabilnosti.
U ovoj studiji znanstvenici su analizirali elektronske snimke napravljene u mozgu nakon djelovanja propofola u razdoblju od sat vremena. Ove snimke pokrivale su samo maleni dio ukupne moždane aktivnosti, pa su istraživači upotrijebili tehniku koja se zove delay embedding, kako bi to prevladali. Koristeći ovu metodu, istraživači su mogli kvantificirati kako mozak reagira na senzorne unose, poput zvukova, ili na spontane poremećaje neuralne aktivnosti.
U normalnom, budnom stanju, neuronska aktivnost raste nakon bilo kakvog unosa, a zatim se vraća na svoju osnovnu razinu aktivnosti. Međutim, nakon doziranja propofolom, mozgu je trebalo duže da se vrati na početnu vrijednost nakon ovih unosa, ostajući u pretjerano uzbuđenom stanju. Taj je učinak postajao sve izraženiji sve do gubitka svijesti. Ovo sugerira da propofolska inhibicija aktivnosti neurona dovodi do eskalacije nestabilnosti, što uzrokuje gubitak svijesti mozga, kažu istraživači.
Bolja kontrola anestezije
Kako bi vidjeli mogu li ovaj učinak preslikati u računalni model, istraživači su stvorili jednostavnu neuronsku mrežu. Kad su povećali inhibiciju određenih čvorova u mreži, kao što propofol čini u mozgu, mrežna aktivnost je postala destabilizirana.
“Promatrali smo jednostavan model kruga međusobno povezanih neurona, a kada smo u njemu povećali inhibiciju, vidjeli smo destabilizaciju. Dakle, jedna od stvari koju sugeriramo je da povećanje inhibicije može generirati nestabilnost, a to je naknadno povezano s gubitkom svijesti,” kaže Eisen.
“Ovaj paradoksalni učinak, u kojem pojačana inhibicija destabilizira mrežu umjesto da je utiša ili stabilizira, događa se zbog dezinhibicije. Kada propofol pojačava inhibicijski nagon, taj nagon inhibira druge inhibicijske neurone, a rezultat je sveukupno povećanje moždane aktivnosti”, objašnjava Fiete.
Istraživači sumnjaju da drugi anestetici, koji djeluju na različite vrste neurona i receptora, mogu konvergirati na isti učinak kroz različite mehanizme – to je mogućnost koju sada istražuju.
Ako se to pokaže točnim, to bi moglo biti od pomoći znanstvenicima u stalnim naporima da razviju načine za precizniju kontrolu razine anestezije koju pacijent doživljava. Ovi sustavi, na kojima Miller surađuje s drugim znanstvenicima, Emeryjem Brownom, Edwardom Hood Taplinom, profesorom medicinskog inženjerstva na MIT-u, rade tako da mjere dinamiku mozga i zatim prilagođavaju doze lijekova u skladu s tim, u stvarnom vremenu.
"Ako nađete zajedničke mehanizme na djelu različitih anestetika, sve ih možete učiniti sigurnijima podešavanjem nekoliko gumba, umjesto da morate razvijati sigurnosne protokole za sve različite anestetike jednog po jednog", kaže Miller. “Ne želite drugačiji sustav za svaki anestetik koji će koristiti u operacijskoj sali. Želite onu koja će učiniti sve”, dodao je.
Istraživači također planiraju primijeniti svoju tehniku za mjerenje dinamičke stabilnosti na druga stanja mozga, uključujući neuropsihijatrijske poremećaje.
"Ova je metoda prilično moćna i mislim da će biti vrlo uzbudljivo primijeniti je na različita stanja mozga, različite vrste anestetika, kao i na druga neuropsihijatrijska stanja poput depresije i shizofrenije", kaže Fiete.
