Effects of noxious stimulation on the electroencephalogram③

全身麻酔と手術刺激に対する脳波反応

他の場所で包括的に説明されているように、十分な量のプロポフォールまたは揮発性吸入麻酔薬は、患者の脳波を低振幅、高周波数パターン（いわゆる「非同期化」脳波）から、徐波睡眠といくつかの昏睡に似ているものに変化さる- すなわち、高振幅、徐波パターンで、デルタとアルファ範囲が支配的な脳波活動を持つ。例えば、麻酔導入時には、前頭部の脳波β域の逆説的興奮（β域）のエピソードが観察されることがある。同様に、過度に高用量の麻酔薬を投与した場合、脳波はより高い、より高い振幅にはならず、最終的には振幅が減少し、最終的には不連続になります。投与量の関係の両端での低脳波振幅は、外科的麻酔を1軸の数値スケールで表現することが、どのように粗い過剰な単純化であるかについての別の例です。多くの麻酔科医は、異なる臨床目標のために多次元のメンタルモデルを使用しています。例えば、無意識と鎮痛は相乗効果があるかもしれませんが、疼痛・鎮痛軸は覚醒・催眠軸（図1）とは独立して考えられ、薬理学的な意思決定を行うことができる（すなわち、この患者には皮質処理の混乱がもっと必要か、それとももっと鎮痛が必要か）。また、年齢、患者の認知、併存疾患など、他の様々な要因が術中の脳波パターンに影響を与えることがわかってきている。

外科的刺激は、鎮静薬の薬力学的効果を拮抗し、早期覚醒を引き起こすことで「患者を覚醒させる」ために作用し、その結果、意識に関連した脳波の特徴（振幅の低い脳波、デルタ波の減少、ベータ波の増加）をもたらすと想定される。しかし、全身麻酔下での有害な刺激はまた、この古典的な覚醒パターンに従わない脳波の非定型的な変化を引き起こす可能性がある。以下のセクションでは、有害刺激に対する異なる反応の提案されたメカニズムを説明する。このテーマで行われた研究を要約するために、3つの表を示す。表1、表2は、処理された脳波（表1）または生の脳波（表2）の変化を記述することによって、患者またはボランティアにおける有害刺激に対する脳波反応を扱う研究からの結果を示している。さらに、表3には動物モデルを用いて行われた研究の情報が含まれている。

ベータ覚醒

痛みを伴う刺激後の脳波の加速（β覚醒）の観察は、脳波臨床研究のごく初期の頃に記述されていた。

β覚醒のメカニズム

外科麻酔時の脳波の変化を誘発する根底にある神経生物学について決定的な結論を出すことは困難であるが、皮質活動の増加-それに伴うβ波脳波パワーの増加-が夢のような状態または覚醒状態への進行を示すという証拠がある。1949年、MoruzziとMagounは、睡眠と覚醒の間の移行を調節する上行網状体活性化系への電気刺激によってβ覚醒が再現されることを実証した。それ以来、多くの文献が急増し、有害な刺激が脳幹のアミネル質とコリン質の神経調節因子を増加させて視床を脱分極させ、脳波における過分極依存性の遅波性視床皮質振動を抑制することを詳細に示している。臨床研究では、β-アドレナリン受容体遮断が気管挿管刺激後の覚醒反応を遮断するのに役立つことが示されている。Taylorらは、皮質下領域のドーパミン作動系もβ覚醒と催眠の反転に重要な役割を果たしているようであることをエレガントに示している。しかし、β覚醒反応は大脳皮質が有害な刺激を受容する状態にある場合、患者が低用量の麻酔下にあり、十分な鎮痛効果が得られていない場合にのみ起こるようである。

表1、表2に示すように、全身麻酔の初期には、この覚醒反応は一般的に喉頭鏡や最初の切開の刺激と関連している。硬膜外リドカインによる鎮痛治療は覚醒の特徴を遅らせる。図2aはβ覚醒の模式図である。有害な刺激は、十分な催眠を維持するために必要な麻酔薬の用量を変化させることができる。例えば、Röpckeらの研究は、患者のデスフルラン要求量に対する有害刺激の影響を示している。濃度効果曲線を系統的に定量化したところ、外科的刺激の存在下では、有害な刺激のない状態と比較して、同等のシグモイド用量反応関係には、さらに2％のデスフルランが必要であることが明らかになった。これは、主に低濃度の催眠薬で、補助的なオピオイドなしで使用した場合、手術に対するβ-覚醒反応が期待できることを示唆している。

臨床的なメッセージは単純であるように思われる：「継続的なレベルの刺激に直面してもβ覚醒を防ぐために十分な催眠薬を投与する」。しかし、生物学ではいつものように、状況はより複雑である。術中、全身麻酔の一見十分なレベルでは、β覚醒とは異なる脳波上の覚醒反応が一般的である。この分野の最初の論文の一つであるKochsらは、手術中の有害な刺激がEEGデルタパワーを増加させ、EEGアルファパワーを減少させることを示す結果を発表した。著者らは、' ... 麻酔からの出現時の覚醒のためのメカニズムは、有害な刺激によって誘導される術中覚醒のためのものとは全く異なるかもしれない... ... 'と結論づけた。彼らはゆるくこの現象を逆説的な覚醒やデルタ覚醒と呼んでいる。この逆説的覚醒の例、すなわち、脳波αパワーの低下を伴う脳波デルタパワーの増加を図3に示す。

デルタ覚醒

オピオイド、神経筋ブロック、プロポフォール麻酔、揮発性ガス麻酔、またはその両方を含む近代的な「バランス麻酔」の間、オピオイドは刺激に対する脳波反応を緩和するために催眠薬と相乗的に作用するため、β覚醒は多少緩和される。脳波のデルタパワーは切開とともに増加した。その増加は高MAC群（44％；前頭・後頭電極）よりも低MAC群（+181％；電極F3）の方が強かった。アルファパワーは両群ともに約半分に減少した。主な効果は前頭部に見られた。これらの患者はすべて亜酸化窒素を受けていたが、有害な刺激に対するデルタ覚醒は、亜酸化窒素がない場合に現れることがある。Hartleyらは、セボフルラン単独麻酔を受けた小児では、静脈内カニューレーションの軽度の刺激でもデルタ波が増加することを示している。木山と武田は、切開に反応してデルタ波とアルファ脳波パワーの低下が同様に相対的に増加したことを報告しているが、これらは既存の硬膜外ブロックによって完全に防止されていた。最近になって、これらの結果がフェンタニルとデスフルランまたはプロポフォールを用いたより臨床的に日常的な麻酔レジメン（BIS40-55、すなわち手術を行う際に推奨される指標範囲を目標とする）を受けている患者の大規模グループで再現された。アルファ活性の喪失は、多くの患者で手術刺激の開始時にデルタパワーの増加と関連していた。この知見は、「逆説的」覚醒という用語と矛盾しているかもしれない。なぜなら、刺激によって誘発されるより速い周波数へのシフトを説明しているからです。

手術の種類の影響

デルタ覚醒の臨床的関連性は不明なままであるが、有害な刺激の発生源は覚醒反応の種類に何らかの影響を与える。Bischoffらは、デルタ振幅の増加は、乳房切除術（体表手術）よりも開腹手術（体腔内手術）の方が顕著であることを示した。開腹手術時のデルタ振幅の増加は、前頭位（F3）で245％と最も顕著であったのに対し、後頭位（O1）では45％しかなかった。森本らは、腹部灌水によるBIS値の低下を報告した際に、（前頭）デルタ波の同様の深遠な増加を観察した（論文中の図2参照）。この徐波の増加はオピオイドによって顕著に減少するが、吸入麻酔薬の濃度を上げても減少しない。他の指標を用いた他の研究グループでも、処理された脳波指標のこの（前頭）減少が観察されている。

デルタ覚醒のメカニズム

この過分極化は皮質細胞を感覚入力から解放することができ、 上行網状体活性化系による皮質活性化の低下と組み合わせて発生すると、 デルタ波が発生する。内臓の痛みの経路は、皮質のデルタ波を引き起こす特定の中脳中心を刺激する可能性が高いように思われる。MoruzziとMagoun,Kaadaらは、MoruzziとMagounが使用したものと同様の手法を用いて、中脳網状体形成の高周波刺激が実験の約3分の1でシータ波とデルタ波を誘発することを発見した。

揮発性麻酔薬に亜酸化窒素を加えると、デルタ波のパワーが一過性に増強されるようである。逆に、高用量のプロポフォール麻酔時にレミフェンタニルを併用すると、デルタパワーは減少し、アルファパワーは増加する。

もともとデルタ覚醒と呼ばれていたが、これらのデルタ反応は必ずしも意識の回復に向けた進行を表しているとは限らない。昏睡と睡眠の文献から得られた神経解剖学的情報は、これらのデルタパワーの増加の源についてのいくつかの洞察を提供している。間欠的なリズミカルデルタ活動は非特異的で、軽度の様々な昏睡で見られるが、健常者でも発生することがある。断続的なリズミカルデルタ活動は、一部の患者では軽度の刺激と関連しているが、自然な睡眠中には、良性で非特異的なリズミカルデルタ活動が前頭部リードに限 定されていることは珍しくないが、典型的には睡眠の軽い段階で見られる。

アルファ脱落

全身麻酔時の定常α振動の発現は、主に催眠薬が患者の基礎的な要因と相互作用することによって駆動される。揮発性麻酔薬の場合、αパワーは通常、中等度の用量範囲で最大となるが、低濃度（0.5MAC未満）および高濃度（脳波がデルタ活動、不連続性、またはその両方に支配される可能性がある）ではαパワーの低下が観察される。前頭α出力の突然の消失は、有害な刺激に対する比較的一般的な反応である。これらの観察から、（前頭）最大α出力は術中オピオイドの滴定のための合理的な指標であるという概念が生まれた。切開5分前（切開時と5分後の脳波を見る）または切開5分後（切開5分後と10分後の脳波を見る）にフェンタニルをボーラス投与した。彼らは切開後にアルファ帯域の脳波特徴の減少を観察したが、その後のフェンタニル投与で回復した；対照的に、切開前にフェンタニルを投与して十分な鎮痛効果を得た場合、切開に伴って顕著なアルファ振動活性は減少しなかった。アルファパワーの消失は低オピオイド（1μg kg-1）群でより顕著であった。これらの研究は、刺激によって誘発される脳波のαパワーの低下を防ぐために、適切な鎮痛管理が可能であることを強調しており、それによって痛みを誘発する覚醒イベントを防ぐことができる可能性がある。

α脱落のメカニズム

動物では、有害な刺激が視床の網状核へのアミリン作動性とコリン作動性の上行性入力の効果を介して視床を脱分極させるように作用することが示されている。脳波のαリズムは、視床ペースメーカーニューロンの活動、視床中継核のニューロンの固有振動リズム、皮質領域との相互作用と関連している可能性がある。モデル化研究では、プロポフォール時の前頭αパワーの高さは、視床皮質ループにおける単純で低次元の同期振動と、過分極化された視床カルシウム電流誘発性バースト活動に関連している。したがって、有害な刺激によって誘発されるαパワーの喪失は、脱分極した視床が超分極したバースト発射モードからより連続的な発射モードに切り替わるため、視床と皮質の間のコミュニケーションが複雑になったことを反映しているのかもしれない。これは、脳波信号のαパワーの損失として現れ、部分的なβ覚醒に似た反応である。

不思議なことに、前のセクションで説明したように、これは強い低速振動の存在下でも起こることがあり、視床とは独立した皮質の低速アップダウン状態を達成することが可能であるという明確な証拠である。ダウン状態はニューロンの膜電位が過分極化した状態を示し、アップ状態はより脱分極化した状態を反映している。これらの脳波応答は別々に起こることがあるため、α振動の視床への依存性だけでなく、δ振動の視床からの独立性も明らかに示されている。この視床へのα依存性は、α優位のリズムを示すいくつかのタイプの昏睡に現れている。その例としては、バルビツールやベンゾジアゼピンの過剰摂取によって誘発される昏睡、無酸素性脳症（通常、これらの症例では7-8Hzの低α活動が優位であり、αθ昏睡と呼ばれることもある）、視床を免れているポンズの吻側にある特定の胸膜下血管梗塞などが挙げられる。アルファ脱落のメカニズムについて説明したものを図2cに示す。