La technologie d’anesthésie contrôle avec précision l’inconscience lors des tests sur les animaux

Si les anesthésiologistes disposaient de moyens rigoureux pour gérer le dosage, ils pourraient administrer moins de médicaments, maintenant exactement la bonne profondeur d’inconscience tout en réduisant les effets secondaires cognitifs postopératoires chez les groupes vulnérables comme les personnes âgées. Mais avec une myriade de responsabilités pour maintenir les patients anesthésiés en vie et stables, ainsi que pour maintenir leur état profondément inconscient, les anesthésiologistes n’ont pas le temps de se passer de la technologie.

Pour résoudre le problème, des chercheurs du Picower Institute for Learning and Memory du MIT et du Massachusetts General Hospital ont inventé un système en boucle fermée basé sur la surveillance de l’état du cerveau qui contrôle avec précision l’inconscience en automatisant les doses de propofol, un médicament anesthésique, toutes les 20 secondes.

Les scientifiques détaillent le nouveau système et ses performances lors des tests sur les animaux dans une nouvelle étude publiée dans la revue Nexus PNAS.

“L’un des moyens d’améliorer les soins d’anesthésie est d’administrer juste la bonne quantité de médicament nécessaire”, a déclaré l’auteur correspondant Emery N. Brown, professeur Edward Hood Taplin de génie médical et de neurosciences computationnelles au MIT et anesthésiste au MGH. “Cela ouvre la possibilité de le faire de manière vraiment contrôlée.”

Dans la salle d’opération, Brown surveille l’état cérébral de ses patients à l’aide d’électroencéphalogrammes (EEG). Il ajuste fréquemment le dosage en fonction de ces informations, ce qui peut réduire de moitié la quantité de médicament qu’il utilise par rapport à s’il choisissait simplement un débit de perfusion constant et s’y tenait. Néanmoins, la pratique consistant à maintenir la dose plutôt que le niveau de conscience est courante car la plupart des anesthésiologistes ne sont pas formés pour suivre les états cérébraux et ne prennent souvent pas le temps en salle d’opération pour gérer avec précision le dosage.

Le nouveau système n’est pas le premier système d’administration d’anesthésie en boucle fermée (CLAD), a déclaré Brown, mais il fait progresser le jeune domaine de manière cruciale. Certains systèmes antérieurs automatisent simplement un débit de perfusion unique et stable basé sur les caractéristiques générales du patient telles que la taille, le poids et l’âge, mais ne collectent aucun retour sur l’effet réel sur l’inconscience, a déclaré Brown, qui est également membre de l’Institut d’ingénierie et de science médicale de MIT et professeur Warren Zapol à la Harvard Medical School.

D’autres utilisent un système de contrôle exclusif qui maintient les marqueurs d’inconscience en forme de « boîte noire » pour varier dans une large gamme.

Le nouveau système CLAD, développé par Brown et son équipe au MIT et MGH Brain Arousal State Control Innovation Center (BASCIC), permet une gestion très précise de l’inconscience en effectuant une estimation personnalisée de la façon dont les doses affecteront le sujet et en mesurant l’inconscience basée sur état du cerveau. Le système utilise ces mesures comme retour d’information pour ajuster constamment la dose du médicament.

Dans l’article, l’équipe démontre que le système a permis plus de 18 heures de contrôle précis de la conscience au cours de neuf séances d’anesthésie avec deux sujets animaux. Sourish Chakravarty, affilié à la recherche du Brown Lab, et Jacob Donoghue, ancien étudiant diplômé du laboratoire du co-auteur principal et professeur Earl K. Miller de Picower, sont les co-auteurs principaux de l’article.

Bien qu’il reste encore du travail à faire, les auteurs écrivent : « Nous sommes très optimistes quant au fait que le cadre CLAD que nous avons établi… puisse être étendu avec succès aux humains. »

Comment ça fonctionne

L’un des fondements de la technologie CLAD réside dans le fait qu’elle utilise une lecture physiologique de l’inconscience à partir du cerveau (en salle d’opération, les anesthésiologistes s’appuient généralement sur des marqueurs indirects tels que la fréquence cardiaque, la pression artérielle et l’immobilité). Les chercheurs ont établi leur marqueur cérébral en mesurant les changements dans l’activité de pointe neuronale au milieu de l’inconscience chez les animaux et les rythmes à plus grande échelle produits par la pointe, appelés potentiels de champ local (LFP).

En associant étroitement la puissance des LFP à des mesures d’inconscience basées sur les pointes chez les sujets animaux, ils ont pu déterminer que la puissance totale des LFP entre 20 et 30 Hz est un marqueur fiable.

Les chercheurs ont également intégré au système un modèle physiologique de la pharmacocinétique (PK) et de la pharmacodynamique (PD) du propofol, qui détermine la quantité de médicament nécessaire pour modifier la conscience et la rapidité avec laquelle une dose donnée aura cet effet. Dans l’étude, ils montrent qu’en couplant le modèle avec le marqueur d’inconscience, ils pourraient rapidement ajuster le modèle pour chaque sujet.

“Avec quelques enregistrements de base des LFP lors de l’administration du médicament, vous pouvez rapidement savoir comment le sujet réagit au médicament”, a déclaré Brown.

Pour gérer le dosage du propofol, toutes les 20 secondes, un contrôleur « intégral quadratique linéaire » détermine la différence entre la puissance LFP mesurée à 20-30 Hz et l’état cérébral souhaité (défini par l’anesthésiologiste) et utilise le modèle PK/PD pour ajuster la perfusion de médicaments pour combler l’écart.

Initialement, l’équipe a effectué des simulations informatiques sur la façon dont leur système CLAD fonctionnerait avec des paramètres réalistes, mais elle a ensuite réalisé neuf expériences d’une durée de 125 minutes avec deux sujets animaux. Ils mettent manuellement les animaux sous terre, puis laissent le système CLAD prendre le relais après environ 30 minutes.

Dans chaque cas, le CLAD devait amener les animaux dans un état précis d’inconscience pendant 45 minutes, passer à un niveau différent pendant 40 minutes supplémentaires, puis les ramener au niveau d’origine pendant 40 minutes supplémentaires. À chaque session, le système a maintenu le marqueur très proche des niveaux visés pendant toute la durée du test.

En d’autres termes, plutôt qu’un système qui maintient automatiquement la dose de médicament, le nouveau système maintient automatiquement le niveau d’inconscience souhaité en mettant à jour cette dose toutes les 20 secondes.

“La pratique courante consistant à utiliser des débits de perfusion constants peut conduire à un surdosage”, ont écrit les chercheurs. “Cette observation est particulièrement pertinente pour les patients âgés qui, aux débits de perfusion standards de propofol, dérivent facilement vers la suppression des rafales, un niveau profond d’inconscience associé aux troubles cognitifs postopératoires.”

Dans l’étude, l’équipe reconnaît qu’elle a encore du travail à faire pour faire progresser la technologie à usage humain.

Une étape nécessaire consiste à baser le système sur les EEG, qui peuvent être mesurés via le cuir chevelu. Parallèlement à cela, l’équipe devra déterminer un marqueur d’inconscience basé sur les mesures EEG des rythmes cérébraux humains, plutôt que sur les LFP animales. Enfin, l’équipe souhaite étendre les capacités du système afin qu’il maintienne non seulement l’inconscience, mais qu’il contribue également à l’induire et à ramener les patients à l’éveil.