Cosa succede al nostro cervello quando ci fanno l’anestesia?

C’è una credenza popolare o un presupposto tacito che fa sostenere che l’anestesia spenga il cervello”, afferma Earl Miller, Picower Professor of Neuroscience e co-autore senior dello studio su eLife. “Ma non è così”.

Le funzioni coscienti, come la percezione e la cognizione, dipendono dalla comunicazione coordinata del cervello, in particolare tra il talamo e le regioni superficiali del cervello, o corteccia, in una varietà di bande di frequenza che vanno da 4 a 100 hertz. Propofol, mostra lo studio, sembra portare il coordinamento tra le regioni talamo e corticale fino a frequenze intorno a 1 hertz.

Il laboratorio di Miller, guidato dal postdoc Andre Bastos e dall’ex studente laureato Jacob Donoghue, ha collaborato con quello dell’autore co-senior Emery N. Brown. La collaborazione ha quindi unificato l’esperienza del laboratorio Miller su come i ritmi neurali coordinano la corteccia per produrre una funzione cerebrale cosciente con l’esperienza del laboratorio Brown nelle neuroscienze dell’anestesia e nell’analisi statistica dei segnali neurali.

Brown afferma che studi mostrano come gli anestetici cambiano i ritmi cerebrali e possano migliorare direttamente la sicurezza del paziente perché questi ritmi sono prontamente visibili sull’EEG in sala operatoria. La scoperta principale dello studio di una firma di ritmi molto lenti attraverso la corteccia offre un modello per misurare direttamente quando i soggetti sono entrati nell’incoscienza dopo la somministrazione di propofol, quanto profondamente vengono mantenuti in quello stato e quanto velocemente possono svegliarsi una volta terminata la dosazione propofol.

“Gli anestesisti possono usarlo come un modo per prendersi cura meglio dei pazienti”, afferma Brown.

Brown ha studiato a lungo come i ritmi cerebrali siano influenzati negli esseri umani in anestesia generale effettuando e analizzando misurazioni dei ritmi usando elettrodi EEG del cuoio capelluto e, in misura limitata, elettrodi corticali nei pazienti con epilessia. Poiché il nuovo studio è stato condotto su modelli animali, il team è stato in grado di impiantare elettrodi in grado di misurare direttamente l’attività o “spiking” di molti singoli neuroni e ritmi nella corteccia e nel talamo. Brown ha detto che i risultati quindi approfondiscono ed estendono significativamente le sue scoperte sulle persone.

Ad esempio, gli stessi neuroni che misuravano con picchi di tensione 7-10 volte al secondo, durante la veglia sparavano regolarmente solo una volta al secondo o meno durante l’incoscienza indotta da propofolo, un notevole rallentamento chiamato “stato di down”. In tutto, gli scienziati hanno effettuato misurazioni simultanee dettagliate di ritmi e picchi in cinque regioni: due nella parte anteriore della corteccia, due verso la parte posteriore e il talamo.

“La cosa così convincente è che stiamo ottenendo dati fino al livello dei picchi”, afferma Brown. “Le oscillazioni lente modulano l’attività di spiking su ampie parti della corteccia.”

Per quanto lo studio spieghi come il propofolo generi incoscienza, aiuta anche a spiegare l’esperienza unificata della coscienza, afferma Miller.

“Tutta la corteccia deve essere sulla stessa pagina per produrre coscienza”, dice Miller. “Una teoria su come funziona è attraverso cicli talamo-corticali che permettono alla corteccia di sincronizzarsi. Propofol può rompere il normale funzionamento di quei cicli sincronizzandoli ipersincronizzandoli in stati di down prolungati. Interrompe la capacità della corteccia di comunicare.

Ad esempio, effettuando misurazioni in strati distinti della corteccia, il team ha scoperto che i ritmi “gamma” ad alta frequenza, che sono normalmente associati a nuove informazioni sensoriali come panorami e suoni, sono stati particolarmente ridotti negli strati superficiali. Le onde “alfa” e “beta” a bassa frequenza, che Miller ha dimostrato tendono a regolare l’elaborazione delle informazioni trasportate dai ritmi gamma, sono state particolarmente ridotte in strati più profondi.

Oltre alla sincronia prevalente a frequenze molto basse, il team ha notato altre firme di incoscienza nei dati. Come Brown e altri hanno osservato negli esseri umani prima, la potenza del ritmo alfa e beta era notevolmente più alta nelle regioni posteriori della corteccia durante la veglia, ma dopo la perdita di potere della coscienza a quei ritmi si è capovolta ad essere molto più alta nelle regioni anteriori.

Il team ha inoltre dimostrato che stimolare il talamo con un impulso ad alta frequenza di corrente (180 hertz) ha effetti di propofolo non didid.

“La stimolazione ha prodotto uno stato corticale simile a quello sveglio aumentando i tassi di spiking e diminuendo la potenza a frequenza lenta”, hanno scritto gli autori nello studio. “In tutte le aree, c’è stato un aumento significativo dello spiking durante l’intervallo di stimolazione rispetto alla linea di base di pre-stimolazione.”