Evaluierung modulatorischer Effekte verschiedener Anästhetika auf die Schmerzverarbeitung im zentralen Nervensystem mittels funktioneller Magnetresonanztomographie

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2012-12-28
Issue Year
2012
Authors
Mezger, Elke
Editor
Abstract

Summary Until today it has not been fully discovered in which way anesthetics affect the pain processing in the central nervous system. But it has not been noticed that in addition to their main function in producing unconsciousness most of anesthetic agents affect the nociceptive system and thereby have antinociceptive effects. The intention was to find out whether there is a difference between the anesthetics and in which way the transmission of the nociceptive pathway is disturbed. With the help of fMRI experiments in rats with different anesthetics and topical thermal stimuli we try to get more insight in the brain function and nociception under anesthetic conditions. It is reported for the first time an fMRI investigation with the focus on structure specific relations. The blood oxygenation level-dependent (BOLD) contrast was used which is commonly appropriated in experimental and clinical functional MRI to map activated brain areas in the brain by measuring regional changes in BOLD signal as a correlate for neuronal activity. Four different anesthetics were chosen, all representing different kind of anesthetic agents: Isoflurane, N2O, Ketamin and Thiopental. Rats were anesthetized with one of the narcotic agent and the left hindpaw was exposed to the same repeated thermal stimuli of four different temperatures at a range from 36°C till 56°C. In our experiments we focused on brain structures that are in summary known to be the pain matrix (Melzack 1999) and are involved in pain processing in human beings: sensory input, thalamus, sensory cortex, association cortex, link to the limbic system, limbic system, limbic output, basalganglia, motoric output and cerebellum. By comparing the BOLD-signal changes of the anesthetics, specific activation patterns could be recognized. All anesthetics do have a reduction of the neuronal activity in the thalamus in common. In addition in case of Ketamin the following brain structures differ remarkable in the activation compares to the other anethetics: the colliculi superiores, the primary somatosensory cortex, the retrosplenial cortex and the prelimbic cortex. All these brain structures have a tight relationship to the limbic system and the thalamic group in common. By focusing on the BOLD-signal changes under Thiopental-anesthesia the following brain structures stood out: the colliculi inferiores, the parietal association cortex, the temporal association cortex, the orbital cortex, the amygdala and the striatum. Alterations in pain processing in the central nervous system under Isofluran-anesthesia affected the colliculi superiores, the ventral posterolateral/posteromedial thalamic nucleus, the parietal association cortex, the temporal association cortes, the periaqueductal grey, the striatum and the nucleus accumbens. Concerning N2O the following brain structures could be distinguished: the colliculi superiores und inferiores, the temporal association cortex, the retrosplenial cortex, the frontal association cortex und the entorhinal cortex. This study shows that the four used anesthetics differ concerning their effects on pain processing in the central nervous system. But there are also commonalities concerning the different activation patterns, that can be most likely explained as effects of the anesthetic-induced unconsciousness.

Abstract

Zusammenfassung Die Effekte von anästhetisch wirkenden Substanzen auf die Verarbeitung nozizeptiver Reize im zentralen Nervensystem sind bislang noch nicht ausreichend untersucht. Die Tatsache, dass ein Großteil der Anästhetika neben ihrer gewünschten Hauptwirkung, dem Hervorrufen der Bewusstlosigkeit, auch einen Einfluss auf die Schmerzverarbeitung des zentralen Nervensystems und damit eine analgetische Wirkung haben, ist bereits bekannt. In dieser Arbeit wurden mit Hilfe der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) am Rattenmodell die Veränderungen der Gehirnaktivität nach Applikation derselben schmerzhaften Stimuli unter dem Einfluss von vier verschiedenen Anästhetika untersucht. Bei den verwendeten Anästhetika handelt es sich um zwei aus der Gruppe der Inhalationsanästhetika, namentlich Isofluran und Distickstoffmonoxid, und zwei aus der Gruppe der Injektionsanästhetika, namentlich Ketamin und Thiopental. Die Versuchsratten wurden mit dem jeweiligen Narkotikum betäubt und die linke Hinterpfote wiederholt einem Hitzereiz mit vier unterschiedlichen Temperaturen von 36-56°C ausgesetzt. Die repetitiven Hitzestimulationen mit kontinuierlich ansteigenden Stimulationstemperaturen führten zu einer deutlichen Erhöhung des BOLD-Signals in Strukturen, die an der Schmerzverarbeitung des zentralen Nervensystems involviert sind und als sogenannte Schmerzmatrix gelten (Melzack 1999), wie dem sensorischen Eingang, dem Thalamus, dem sensorischen Kortex, dem Assoziationskortex, den Verbindungen zum limbischen System, dem limbischen System, dem vegetativen Ausgang, den Basalganglien, dem motorischen Ausgang und dem Cerebellum. Vergleicht man die BOLD-Signalveränderungen der unterschiedlichen Anästhetika miteinander, so fallen spezifische Aktivierungsmuster auf. Allen gemein ist dabei eine Reduktion der neuronalen Aktivität im Bereich des Thalamus. Im Falle von Ketamin stechen jedoch zusätzlich besonders folgende Hirnstrukturen hervor: die Colliculi superiores, der primäre somatosensorische Kortex, der retrospleniale Kortex und der prälimbische Kortex. All diesen Hirnstrukturen ist eine enge Verbindung zum limbischen System und zu den thalamischen Kerngruppen gemein. Betrachtet man die BOLD-Signale unter Thiopental-Anästhesie so fallen im Vergleich mit den anderen Anästhetika folgende Hirnstrukturen auf: die Colliculi inferiores, Teile des Assoziationskortex wie der parietale Assoziationskortex, der temporale Assoziationkortex, sowie der orbitale Kortex, die Amygdala, sowie das Striatum. Veränderungen in der Verarbeitung nozizeptiver Reize im zentralen Nervensystem unter Isofluran-Anästhesie betreffen v.a. den Colliculus superior, den ventralen posterolateralen/posteromedialen thalamischen Kern, den parietalen Assoziationskortex und den temporalen Assoziationskortex, sowie das periaquäduktale Grau, das Striatum und den Nucleus accumbens. Bezüglich des anästhetisch wirkenden N2O (in dieser Arbeit in Kombination mit Isofluran verwendet) lassen sich folgende Hirnstrukturen hervorheben: die Colliculi superiores und inferiores, der temporale Assoziationskortex, der retrospleniale Kortex, der frontale Assoziationskortex und der entorhinale Kortex. Somit konnte mit Hilfe dieser Arbeit gezeigt werden, dass sich die vier verwendeten Anästhetika hinsichtlich ihrer Wirkungen auf die Verarbeitung nozizeptiver Reize im zentralen Nervensystem unterscheiden, es jedoch auch durchaus Gemeinsamkeiten hinsichtlich der unterschiedlichen Aktivierungsmuster gibt, die sich am ehesten als Effekte der durch Anästhetika-induzierten Bewußtlosigkeit erklären lassen.

DOI
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