Dinamiche di recupero dallo stato di incoscienza indotto dall’anestesia a livello della neocorteccia in primati

Come il nostro cervello recuperi dopo l’anestesia generale è scarsamente compreso. Problemi neurocognitivi postoperatori affliggono pazienti di tutte le età sottoposti a chirurgia e sono associati a un aumento globale della morbilità e mortalità. I meccanismi dei problemi neurocognitivi che seguono l’anestesia generale non sono ben compresi e il ruolo degli agenti anestetici non è chiaro. Nonostante la sua importanza, i modelli animali sono insufficienti. Chiarire i meccanismi del recupero neurale dall’anestesia generale rappresenta il primo passo essenziale per comprendere queste complicazioni potenzialmente dannose nei pazienti.
Studi di EEG negli umani suggeriscono che il recupero della coscienza (RC) dall’anestesia generale sia un processo inverso della perdita di coscienza (PC). Al contrario, studi negli animali suggeriscono che la transizione dentro e fuori dalla PC indotta dall’anestesia possa essere governata da meccanismi distinti. Inoltre, un’esposizione all’anestetico generale propofol è stata suggerita indurre un danno a lungo termine dei neuroni. Il recupero neurofisiologico dall’anestesia può essere influenzato da un danno neuronale che potrebbe avere luogo durante l’esposizione all’anestesia stessa. In questo lavoro, gli autori, hanno sviluppano un modello in primati non umani per investigare il recupero neuropsicologico a seguito di anestesia con propofol attraverso la registrazione diretta dei network che collegano funzionalmente e anatomicamente le aree somatosensoriali (S1 e S2) e l’area premotoria ventrale (PMv). PMv è nota collegare le sensazioni e i processi decisionali, così come integrare le modalità multisensoriali.

Due scimmie macaco sono state allenate per compiti comportamentali disegnati per determinare l’allerta trial per trial e la risposta neuronale a stimolazioni tattili e uditive. È emerso che le dinamiche neuronali erano dissociate tra S1 e PMv prima del riemergere della coscienza. Il ritorno alla coscienza era distinguibile per un distintivo ritorno di beta oscillazioni coerenti interregionali e per la perturbazione delle oscillazioni lente delta. Analisi di clustering hanno dimostrato che queste transizioni tra veglia e incoscienza erano rapide e instabili. Al contrario, il ritorno a performance preanestesia era osservato con un graduale aumento delle oscillazioni beta coerenti.
È anche emerso che il recupero variava significativamente a livello intraindividuale tra le sessioni, al confronto con una consistente durata di PC. Il recupero di risposte multisensoriali da parte di un singolo neurone è apparso essere associato al tempo del recupero completo delle performance piuttosto che alla lunghezza del tempo di recupero. Similmente alla PC, il RC è stato identificato come un improvviso cambiamento della dinamica e le regioni erano temporaneamente dissociate durante la transizione. Tuttavia, gli effettivi cambiamenti dinamici durante il ritorno alla coscienza non sono semplicemente l’inverso della perdita di coscienza, suggerendo un processo unico.

Questi risultati dimostrano che il RC dopo l’anestesia generale corrisponde a un improvviso cambio delle dinamiche neuronali attraverso la neocorteccia dei primati, anche se la farmacocinetica assicura un graduale declino della concentrazione dell’anestetico a livello cerebrale. Gli autori hanno trovato che il RC, definito come il ritorno a eseguire il compito neurocognitivo, era caratterizzato da un improvviso cambiamento verso oscillazioni beta coerenti regionali e perturbazione delle oscillazioni lente delta nei network somatosensoriali e premotori. Anteriormente al RC, a seguito della fine dell’infusione di anestetico, le oscillazioni dinamiche in queste regioni corticali apparivano essere dissociate. Insieme alle dinamiche durante la PC indotta da propofol , i periodi transizionali di PC e RC sono entrambi caratterizzati da: (i) caratteristici, non graduali cambiamenti neurali; (ii) coinvolgono un periodo di dissociazione interregionale; (iii)vengono imposte tra due stati apparentemente stabili e coerenti, quali veglia e incoscienza. Stati metastabili separati sono stati mostrati durante il RC dopo isofluorano in piccoli animali. Stati di transizione improvvisi sono ben conosciuti durante il sonno naturale. Viene anche dimostrata una rapida transizione tra due cluster stabili distinti che corrispondo ad anestesia e veglia. Questi risultati insieme suggeriscono che le transizioni di stato improvvise sono un modo fondamentale delle funzioni cerebrali. È possibile che l’osservata dissociazione regionale possa riflettere una destabilizzazione del network che potrebbe eventualmente risultare in un’improvvisa transizione allo stato di coscienza.
Nonostante le similitudini strutturali tra la PC e il RC, le effettive oscillazioni dinamiche sono uniche per la PC e il RC in queste regioni e non sono il semplice inverso le une delle altre. Gli autori hanno riportato picchi beta-gamma prominenti localmente coerenti, ma non interregionalmente coerenti, corrispondenti alla PC in questi network corticali. I picchi ad alta frequenza non sono stati osservati duranti il RC. Nonostante la beta coerenza interregionale fosse perturbata anteriormente alla PC, mentre l’animale stava ancora effettuando il compito neurocognitivo, la coerenza interregionale era ristabilita al momento del ritorno all’effettuazione del compito cognitivo (RC) durante il recupero. Questi risultati suggeriscono che la PC e il RC possano essere governati da distinti processi neurali. Inoltre, gli autori hanno determinato con successo il ritorno alla performance preanestesia (RPPA) come l’end point per il recupero completo. RPPA è stato identificato durante il graduale aumento della potenza delle caratteristiche oscillazioni beta. Il picco delle frequenze beta al momento del RPPA era ancora inferiore rispetto al livello nella veglia, suggerendo il completo recupero delle performance nel compito cognitivo possa non richiedere un recupero completo delle dinamiche oscillatorie. Degno di nota, è stato trovato che la velocità della risposta al compito era significativamente più bassa a RPPA rispetto alla veglia, cosa che può essere attribuita all’avvicinarsi del recupero, tuttavia non ancora completo, delle dinamiche. Inoltre, questi risultati suggeriscono che il recupero delle risposte dei singoli neuroni, specialmente il processamento multisensoriale, sembra correlare al recupero della performance, ma non semplicemente alla durata del tempo di recupero.
È, inoltre, emerso che gli end point di recupero variavano in modo significativo a livello intra-individuale tra le varie sessioni, al confronto con un piuttosto consistente tempo di PC. Per esempio, il tempo di RC è variato tra gli 11 e i 121 minuti nella scimmia 1 e tra i 16 e i 65 minuti nella scimmia 2. Similmente, è variato il tempo di RPPA. Senza apparenti cambiamenti delle variabili farmacocinetiche tra le sessioni in ciascun animale, un abbassamento critico delle concentrazioni di anestetico di per sé è improbabile possa condurre a RC. Gli autori hanno ulteriormente studiato le concertazioni predette di propofol in ciascun animale per esaminare come le concentrazioni predette di propofol variassero attorno al tempo di PC e RC. Questi risultati suggeriscono che il recupero comportamentale sia indipendente dalla farmacocinetica dell’anestetico.
Nondimeno. Questi risultati dimostrano che la transizione dall’incoscienza indotta dall’anestesia e lo stato di coscienza sia accompagnata da cambiamenti discreti delle dinamiche corticali e che lo stato di transizione possa non essere direttamente stimolato dalla farmacocinetica dell’anestetico. L’investigazione di che ruolo giochino le dinamiche cerebrali in un network più ampio in queste transizioni di stato deluciderebbe ulteriormente i meccanismi di recupero dall’anestesia generale.

Dynamics of recovery from anaesthesia-induced unconsciousness across primate neocortex

Shaun R. Patel, Jesus J. Ballesteros, Omar J. Ahmed, Pamela Huang, Jessica Briscoe, Emad N. Eskandar and Yumiko Ishizawa

https://academic.oup.com/brain/article/143/3/833/5734666