Coherence of Visual-Evoked Gamma Oscillations Is Disrupted by Propofol but Preserved Under Equipotent Doses of Isoflurane

Aggarwal, Aakriti; Brennan, Connor; Shortal, Brenna P.; Contreras, Diego; Kelz, Max B.; Proekt, Alex

doi:10.3389/fnsys.2019.00019

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“…It is expected that brain activities are silenced and it becomes unresponsive to external stimuli during deep general anesthesia (Ries and Puil, 1993 ; Detsch et al, 1999 ). However, animal and human studies have demonstrated that brain still responds to somatosensory (Yli-Hankala et al, 1993 ), auditory (Land et al, 2012 ), and visual stimuli (Hartikainen et al, 1995 ; Hudetz and Imas, 2007 ; Aggarwal et al, 2019 ) under general anesthesia. The underlying mechanisms of anesthetic actions remain unknown, while it has been suggested that anesthetic-induced loss of consciousness and sleep have shared neural mechanisms (Franks and Zecharia, 2011 ).…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Monochromatic Blue Light Activates Suprachiasmatic Nucleus Neuronal Activity and Promotes Arousal in Mice Under Sevoflurane Anesthesia

Liu

et al. 2020

Front. Neural Circuits

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Background: Monochromatic blue light (MBL), with a wavelength between 400-490 nm, can regulate non-image-forming (NIF) functions of light in the central nervous system. The suprachiasmatic nucleus (SCN) in the brain is involved in the arousal-promoting response to blue light in mice. Animal and human studies showed that the responsiveness of the brain to visual stimuli is partly preserved under general anesthesia. Therefore, this study aimed to investigate whether MBL promotes arousal from sevoflurane anesthesia via activation of the SCN in mice. Methods: The induction and emergence time of sevoflurane anesthesia under MBL (460 nm and 800 lux) exposure was measured. Cortical electroencephalograms (EEGs) were recorded and the burst-suppression ratio (BSR) was calculated under MBL during sevoflurane anesthesia. The EEGs and local field potential (LFP) recordings with or without locally electrolytic ablated bilateral SCN were used to further explore the role of SCN in the arousal-promoting effect of MBL under sevoflurane anesthesia. Immunofluorescent staining of c-Fos was conducted to reveal the possible downstream mechanism of SCN activation. Results: Unlike the lack of effect on the induction time, MBL shortened the emergence time and the EEG recordings showed cortical arousal during the recovery period. MBL resulted in a significant decrease in BSR and a marked increase in EEG power at all frequency bands except for the spindle band during 2.5% sevoflurane anesthesia. MBL exposure under sevoflurane anesthesia enhances the neuronal activity of the SCN. These responses to MBL were abolished in SCN lesioned (SCNx) mice. MBL evoked a high

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Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Monochromatic Blue Light Activates Suprachiasmatic Nucleus Neuronal Activity and Promotes Arousal in Mice Under Sevoflurane Anesthesia

Liu

et al. 2020

Front. Neural Circuits

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“…Se aplica la metodología de Bandt y Pompe con el propósito de evaluar la PDF para D = 3 y τ = 1. Los vectores (6,7,8), (7,8,13)…”

Section: Construcción Del Patrón Ordinal De Una Serie Temporalunclassified

“…Por lo tanto, mientras ambos anestésicos dejan a los sujetos inconscientes, la manera por los cual crean este estado puede surgir a través de diferentes mecanismos de red. Por ejemplo el efecto de las anestesias sobre las interneuronas podría ser muy diferente [7]. Utilizando las parametrizaciones de las señales usando las coordenadas θ podemos cuantificar la acción de ambas drogas, propofol e isoflurano, sobre la propagación de estas ondas evocadas visualmente.…”

Section: Discusión Y Conclusionesunclassified

“…Porúltimo, en el capítulo 10 se estudió el efecto de dos anestéticos diferentes en el procesamiento de estímulos visuales simples en la corteza de ratones. El objetivo de este tipo de experimentos es estudiar el efecto de los anestéticos en las alteraciones de la conciencia, y el efecto del procesamiento de ciertos estímulos visuales, no solo en la corteza visual, sino también en otrasáreas del cerebro [7,256]. Usando la descomposición de una distribución dada por el modelo log-normal [11] se calcularon los coeficientes de correlación de pares y de mayor orden para las señales de electrocorticografía.…”

Section: Conclusiones Y Perspectivasunclassified

“…Correlaciones de alto orden en oscilaciones gamma evocadas visualmente La alteración de la conciencia ocurre bajo un anestésico general y también ocurre cada vez que nos quedamos dormidos. Sin embargo los anestésicos permiten que los neurocientíficos manipulen la conciencia de manera segura, reversible y con una alta precisión [7]. En particular, el propofol y el isoflurano son dos anestésicos muy utilizados en la medicina actual.…”

unclassified

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Modelos no lineales de la dinámica de sistemas neuronales

Baravalle¹

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La actividad eléctrica del cerebro puede considerarse gobernada por una dinámica no lineal y caótica. Por ello la física de los sistemas din amicos ha hecho y hace aportes muy significativos al entendimiento del cerebro. En particular, la Teoría de la Información mostró, a partir de los trabajos de Kolmogorov y Sinai, conexiones muy profundas con la de Sistemas Dinámicos, tanto a nivel matemático como conceptual. Es por ello que la presente tesis tiene como teoría matemática fundamental detrás la Teoría de la Información, más allá de otros aportes importantes por parte de la Geometría de la Información, la teoría de Sistemas Dinámicos, y la teoría matemática de Análisis de Señales. La presente tesis fluctúa siempre entre el desarrollo de modelos teóricos, tanto a nivel analítico como computacional, y el análisis de datos obtenidos de experimentos, provenientes de diferentes fuentes y con diversas aplicaciones. La presente tesis se trata de realizar aportes al estudio de los problemas actuales en neurociencia, con un énfasis en el estudio de la actividad del cerebro a escala de poblaciones de neuronas. En el capítulo 2 comenzaremos describiendo los resultados obtenidos para el análisis de modelos dinámicos de una única neurona. Se estudiará el inicio del potencial de acción en el modelo de Hodgkin-Huxley, tomando en cuenta la estocasticidad de las corrientes sinápticas que afectan a la neurona. Para resolver la ecuación del modelo estocástico, se utilizará la metodología de Integrales de Camino, una herramienta muy conocida en la física cuántica y en la teoría de procesos estocásticos. En el capítulo 3 se estudiará el modelo de neurona de Izhikevich, caracterizando las series temporales producidas por el mismo, utilizando un método simbólico de análisis de señales desarrollado por Bandt y Pompe. En los capítulos 4 y 5 se estudiarán señales de electroencefalografía en humanos, relacionadas con un experimento visuomotor e imaginativo, utilizando el mismo método simbólico y los mismos cuantificadores del capítulo 3. Esto nos permitirá determinar cuáles son las bandas de frecuencia relacionadas con las tareas realizadas por los participantes del experimento. En el capítulo 6, estudiaremos la misma base de datos del capítulo anterior, primero generando unos grafos a partir de la simbolización de Bandt y Pompe y la divergencia de Jensen-Shannon. Luego, en el capítulo 7, utilizaremos la transformada Wavelet para estudiar la distribución de energía en el espectro de frecuencias en la realización de estas tareas. Ambas técnicas nos permitirán diferenciar entre tareas realizadas e imaginadas. En el capítulo 8 se estudiará un modelo de poblaciones de neuronas que permite generar correlaciones de alto orden a partir de inputs Gaussianos comunes a todas las neuronas. Dicho modelo es el modelo Gaussiano dicotomizado, creado por Amari et al. y estudiado por Macke et al. Dicho modelo presenta una transición de fase, que caracterizamos en este capítulo usando los cumulantes de orden superior, skewness y kurtosis, para develar el mecanismo estadístico que genera dicha transición de fase. En el capítulo 9, se extenderá el modelo Gaussiano dicotomizado del capítulo anterior, a uno donde los inputs estén representados por una distribución asimétrica, es decir, con skewness distinta de cero. Dicha asimetría en los inputs induce otra transición en el sistema, que estudiamos a través de simulaciones y analíticamente en el límite termodinámico. En el capítulo 10 estudiaremos señales eléctricas provenientes de otras técnicas de medición. Se estudiarán los efectos de dos tipos de anestesia sobre ratones, midiendo potenciales visuales evocados usando electrocorticografía, y describiendo los mismos a través de las correlaciones de pares, y de alto orden, entre los sitios de medición.

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Light sedation with short habituation time for large‐scale functional magnetic resonance imaging studies in rats

et al. 2022

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Traditionally, preclinical resting state functional magnetic resonance imaging (fMRI) studies have been performed in anesthetized animals. Nevertheless, as anesthesia affects the functional connectivity (FC) in the brain, there has been a growing interest in imaging in the awake state. Obviously, awake imaging requires resource-and timeconsuming habituation prior to data acquisition to reduce the stress and motion of the animals. Light sedation has been a less widely exploited alternative for awake imaging, requiring shorter habituation times, while still reducing the effect of anesthesia. Here, we imaged 102 rats under light sedation and 10 awake animals to conduct an FC analysis. We established an automated data-processing pipeline suitable for both groups. Additionally, the same pipeline was used on data obtained from an openly available awake rat database (289 measurements in 90 rats). The FC pattern in the light sedation measurements closely resembled the corresponding patterns in both onsite and offsite awake datasets. However, fewer datasets had to be excluded due to movement in rats with light sedation. The temporal analysis of FC in the lightly sedated group indicated a lingering effect of anesthesia that stabilized after the first 5 min. In summary, our results indicate that the light sedation protocol is a valid alternative for large-scale studies where awake protocols may become prohibitively resource-demanding, as it provides similar results to awake imaging, preserves more scans, and requires shorter habituation times. The large amount of fMRI data obtained in this work are openly available for further analyses.

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Coherence of Visual-Evoked Gamma Oscillations Is Disrupted by Propofol but Preserved Under Equipotent Doses of Isoflurane

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