Enseignement InterUniversitaired’Anesthésie RéanimationAnnée 2011-2012 - Cycle 2011-2013
PHYSIOLOGIE DU SYSTEME NERVEUX CENTRAL ET ANESTHESIEPierre PandinService d’Anesthésiologie-RéanimationCUB Hôpital ErasmeBruxelles
1. Vascularisation cérébraleAnatomieBarrière hémato-encéphalique
2. Métabolisme cérébral
3. Débit & volume sanguins cérébraux
Couplage métaboliqueAutorégulationVasoréactivité au CO2
4. Dynamique intracrânienne & rapport entre PPC et PIC
5. Liquide céphalorachidien
6. Physiologie médullaire
7. Neuropharmacologie & électrogénèse
CirculationVascularisation et
Débit CérébralMétabolismeCérébral
Fonctionnement« Fonctions Cérébrales »
Electrogénèse
PhysiologieCérébrale
1. Vascularisation cérébrale
Vascularisation Cérébrale
Vascularisation Cérébrale – Système artèriel
Vascularisation Cérébrale – Système veineux
Barrière Hémato-Encéphalique (BHE)
BHE = Homéostasie des milieux intracérébral et céphalorachidien
Contrôle des flux moléculaires, des substrats métaboliques, des neurotransmetteurs, des médicaments
Déterminants physiologiques du passage de la BHM:
« Morphologiques »: Cellules endothéliales, cellules épithéliales (plx choroïdes), jcts cellulaires (tight) et épendyme (gap)
« Chimiques passifs »: solubilité lipidique, taille moléculaire, charge et pH, secrétions LCR, transferts actifs, électrolytes, glucose, acides aminés, métaux, vitamines, hormones
Barrière Hémato-Encéphalique (BHE)
Mannitol = effet osmotique / BHE
Rupture BHE: HTA sévère, tumeurs, trauma, AVC, infection, hypercapnie sévère, hypoxie prolongée, épilepsie subintrante ou répétitive
Les anastomoses dans le Polygone de Willis sont physiologiquement présents chez trois patients sur quatreFaux
La plupart des malformations vasculaires observées chez l’adulte naissent avant la 12eme semaine de gestation (embryon < 40mm) Vrai
2. Métabolisme cérébral
ASCENDINGINFORMATION
MOTONEURONES
DESCENDINGCONTROLS:NoradrenalineSerotonine
NO
PROJECTION NEURON IN
SPINAL CORDGene
inductionc.fosc.jun
AMPANMDA
Glycine
NK 1
NK 2
NK 3
δ
µ
κ
GABA B
α 2
5 HT1 CCK A et BGABA A
Fast depolarisation
Slow depolarisation
Slow hyperpolarisation
Fast hyperpolarisation
Retrograd messenger
A-FIBRE:Glutamate
C-FIBRE:Neurotansmitters:
GlutamateAspartateSubstance P, Neurokinin A ,Neurokinin BCGRP (receptor ?)Somatostat in (receptor ?)
Presynaptic receptors:µ, δ, κα 2GABA A et BCCK A et B5 HT3
INTERNEURONES:CCK +, Nitric oxyde synthase +Enkephalin -, GABA -, Glycine -, Dynorphin -
Wind up
Metabotropic
Anterograd Neurotransmission
Métabolisme Cérébral:- Maintien du potentiel membranaire et des gradients ioniques- Régulation des neurotransmetteurs (synthèse – libération - recapture)- Synthèse d’adénosine triphosphate sous-tendant l’électrogénèse
Dickenson AH et al
Department of Pharmacology, University College London, Gower Street, London WC1E 6BT, UK. [email protected]
40% = Intégrité cellulaire et tissulaire
60% = Fonction et electrogénèse
2% poids du poids corporel20% du métabolisme corporel sous la
forme d’ATP (glycolyse aérobie mitochondriale)
CMRO2 adulte = 3-3,8mL.100g-1.min-1
CMRO2 enfant = 5-5,5mL.100g-1.min-1
50mL.min-1 / 200-250mL.min-1 au total50% maintient des gradient ioniques50% fonction et électrogénèse
Ischémie-hypoxie:D’abord altération des pompes ioniques
(électrogénèse)Puis atteinte de l’intégrité neuronale
D-glucose (2-désoxyglucose) comme principal substrat métabolique
CMRglu adulte = 5-5,5mg. 100g-1.min-1
CMRglu enfant = 6,5-6,8mg. 100g-1.min-1
50 fois plus que le cœurPas de réserve cérébraleJeûne: corps cétoniques comme source
énergétique (jusque 50%)
Métabolisme Cérébral
40% = Intégrité cellulaire et tissulaire
60% = Fonction et électrogénèse
Métabolisme Cérébral
60%
40%
0%
40%
25%
16%
0%
8%Hypothermie
Dose cumulée de barbiturique
CMRO2 ou CMRglu
37°C
27°C
17°C
60%
40%E0
Emax
Métabolisme Cérébral
HYPER-métabolisme
• Focalisé et chronique principalementProcessus tumoral bénin ou malin
• Focalisé et aigu rarementEpilepsie partielle et atypique
• Généralisé et chronique rarementCas rapportés d’encéphalites
infectieusesCas rapportés de thyrotoxicoseCas rapportés d’hyperthyroïdie de
CushingCas rapportés d’encéphalopathie
associée au septis
• Généralisé et aigu principalementEpilepsie généralisée +++ (ECT+++)Hyperthermie maligneSyndrome malin neuroleptique
HYPO-métabolisme
• Focalisé et chroniquePsychose (Schizophrénie…)
Maladie de ParkinsonZones cérébrales cicatricielles
• Focalisé et aiguAccidents ischémiques cérébraux
Spasme cérébral
• Généralisé et chroniqueSyndromes dégénératifs et
démyélinisants ( Maladie d’Alzheimer…)Syndromes végétatifs chroniques
Ischémies chroniques étendues (vasculites, maladie de Moya-Moya…)
• Généralisé et aiguSpasme cérébral
Mort cérébrale
La part du métabolisme cérébral réservée à la fonction et à l’électrogénèse est équivalente à celle dédiée à l’intégrité cellulaire et tissulaireFaux
Chez l’enfant la CMRO2 est moins importante que chez l’adulte, alors que c’est l’inverse pour la CMRgluFaux
3. Débit & volume sanguins cérébraux
Débit Sanguin Cérébral
50 mL.100g-1.min-1 (40-70)750mL.min-1 [10-15% Qc]
Matière Grise75-80 mL.100g-1.min-1
Matière Blanche20-30 mL.100g-1.min-1
Thalamus85 mL.100g-1.min-1
DSC enfant 100 mL.100g-1.min-1 (75-110)DSC nourrisson 25 mL.100g-1.min-1 (20-40)
Seuil de Dysfonction Neuronale25 mL.100g-1.min-1
Seuil de Suppression de l’Electrogénèse10-15 mL.100g-1.min-1
Seuil Lésionnel Neuronal Irréversible10 mL.100g-1.min-1
Cortex temporo-sylvien80 mL.100g-1.min-1
Cortex fronto-latéro-dorsal65 mL.100g-1.min-1
1 2 3 4
20
25
35
Durée d’ischémie(heure)
Débit Sanguin Cérébral persistant (mL.100g-1.min-1)
Infarcissement cérébralDestruction neuronale irréversible
Zone pellucideSouffrance neuronale réversible
Intégrité neuronale mais dysfonction électrochimique
Zone depénombre
Zone cérébrale normaleFonctions neuronales normales
Seuil de dysfonction neuronale
18
25
12
10
Fonction neurale normale[EEG normal]
Fonction neurale déprimée[EEG ralenti, +en+ déstructuré, -en- réactif]
Fonction neurale abolie[EEG +en+ plat]
Autorégulation abolieVasoréactivité abolie
Fonction membranaire abolieFonction membranaire atteinte
Mort neurale
BSR=0
BSR>90
AutorégulationCérébrale
CouplageMétabolique
Vasoréactivité au CO2
ContrôleDSC
Contrôle DSCAutorégulation Cérébrale
PPC = PAM – PVcérébralePPC = PAM – PIC
PPC = PAM – PVC [PVC>PIC]PPCadulte = 80-100 mmHgPPCenfant = 65-85 mmHg
0
25
50
75
100
Adulte
Enfant
Nourrisson
DSC (mL.100g-1.min-1)
PAM(mmHg)
PPC(mmHg)
60 160
50 130
Vasodilatation Vasoconstriction
Ø artériolaire
1 2 3 4
20
25
35
Durée d’ischémie(heure)
Débit Sanguin Cérébral persistant (mL.100G-1.min-1)
Infarcissement cérébralDestruction neuronale irréversible
Zone pellucideSouffrance neuronale réversible
Intégrité neuronale mais dysfonction électrochimique
Zone depénombre
Zone cérébrale normaleFonctions neuronales normales
Seuil de dysfonction neuronale
18
25
12
10
Fonction neurale normale[EEG normal]
Fonction neurale déprimée[EEG ralenti, +en+ déstructuré, -en- réactif]
Fonction neurale abolie[EEG +en+ plat]
Autorégulation abolieVasoréactivité abolie
Fonction membranaire abolieFonction membranaire atteinte
Mort neurale
BSR=0
BSR>90
PPC (mmHg)
50
40
25
Contrôle DSCAutorégulation Cérébrale
Mécanismes physiologiques- Myogénique (grossier mais rapide)
- Métabolique (NO, adenosine, prostaglandines – fin mais retardé)
- Neurogénique (fin mais retardé)
Physiopathologie- HTA (déplacement à droite semble-t-il
réversible)
Intérêt thérapeutiques-Hypertension contrôlée (Rosner J et al
Trauma 1990, J Neurosurg 1995)
Anesthésie- Halogénes: altération dose-dépendante
- Intraveineux: conservation- Maintien de la PAM
0
25
50
75
100
Adulte
Enfant
Nourrisson
DSC (mL.100g-1.min-1)
PAM(mmHg)
PPC(mmHg)
60 160
50 130
Vasodilatation Vasoconstriction
Ø artériolaire
Contrôle DSCVasoréactivité au CO2
DSC (mL.100g-1.min-1)
PaCO2(mmHg)
20 40 80 10050
Adulte
Enfant
Mécanisme physiologique au maximum pendant 6-8 heures
- Dim initiale protons extracel. et LCR- Réaction secondaire HCO3- en 6h
Physiopathologie-Seuil ischémique PaCO2 30mmHg?
(PaCO2 20mmHg = EEG plat)
Intérêt thérapeutiques- Moyen rapide et simple pour diminuer
le DSC en neuroanesthésie et neuroréanimation
Vasodilatation Vasoconstriction
Ø artériolaire
Contrôle DSCVasoréactivité au CO2
DSC (mL.100g-1.min-1)
PaCO2(mmHg)
20 40 80 10050
Adulte
Enfant
Mécanisme physiologique au maximum pendant 6-8 heures
- Dim initiale protons extracel. et LCR- Réaction secondaire HCO3- en 6h
Physiopathologie-Seuil ischémique PaCO2 30mmHg?
(PaCO2 20mmHg = EEG plat)
Intérêt thérapeutiques- Moyen rapide et simple pour diminuer
le DSC en neuroanesthésie et neuroréanimation
Vasodilatation Vasoconstriction
Ø artériolaire
Contrôle DSCEn pratique…
0
25
50
75
100
Adulte
DSC (mL.100g-1.min-1)
PAM(mmHg)PPC(mmHg)
60 160
50 130
Vasodilatation Vasoconstriction
Ø artériolaire
PaCO2(mmHg)
10 85
PaO2(mmHg)
20 125
PPC (PAM)
PaCO2
PaO2
Normal
Contrôle DSCCouplage Métabolique
Mécanisme Physiologique- Δ 1°C = Δ 5-7% DSC
Physiopathologie- Hyperthermie- Convulsions
(Rupture du couplage par vasodilatation intercurrente, aug. DSC et PIC)
Intérêt thérapeutiques- Hypothermie modérée (34-35°)(Maintien ou réinstauration du couplage, dim
DSC et PIC)
Anesthésie- Barbituriques
-Autres molécules généralement(Maintien du couplage, dim métabolisme & dim
DSC et PIC)
DSC (mL.100g-1.min-1)
CMRO2(mL.100g-1.min-1)
CMRglu(mg.100g-1.min-1)
3,5
5
5
6,5
Adulte
Enfant
Vasodilatation Vasoconstriction
Ø artériolaire
En termes de débit sanguin cérébral, le seuil d’apparition du dysfonctionnement neuronal est de 25 mL.min-1.100g-1 alors que le seuil d’apparition de lésion neuronale irréversible est certainement inférieur à 10 mL.min-1.100g-1
Vrai
A propos du contrôle du débit sanguin cérébral, l’impact du couplage métabolique, de l’autorégulation et de la vasoréactivité au CO2 est comparable mais à rythmes différentsVrai
4. Dynamique intracrânienne & rapport entre PPC et PIC
Théorie de Munro-Kellie
« … toute augmentation volumiqueextrinsèque ou même simplement lechangement de volume de l’un desconstituants de l’espace intracrânien(cerveau, LCR, sang, ou encore unemasse extensive) doit être compensépar une réduction réciproque ouéquivalente d’un des autrescompartiments et de ses constituants.La dynamique biomécaniqueintracérébrale et la PIC sont altéréeslorsqu’une augmentation pathologiquede volume dépasse les possibilités desmécanismes compensatoiresdisponibles. »Cf. le concept volumétrique de lagénèse de l’HTIC
Cerveau 80%
10%10%
Cerveau 80% Cerveau 80%
PIC (mmHg)
Volume
10
Index pression/volume (Marmarou, J Neurosurg 1987) ~ Compliance IntraCraniennePVI = ΔV/log10(Pp/Po)
1mL NaCl 0,9% = ↑ 4mmHg de PICLCR
Déplacement vers espaces médullaires↑ résorption et ↓ sécrétion
Sang↓ VSC (d’abord compartiment veineux)
5. Liquide céphalorachidien
Liquide Céphalo-Rachidien (LCR)
Synthèse 21mL.h-1 (500mL.j-1) par les plexus choroïdes (90%) et par les cellules
épendymaires (10%). Mécanisme actif
Au total 150mL
Résorption par les villosités arachnoïdiennes, mais aussi les manchons péri-radiculaires et les vaisseaux lymphatiques méningés. Mécanisme
non encore clairement élucidé
LCR est isotonique par rapport au plasma malgrés des concentrations moindres en K+, en
HCO3- ou en glucose
Inhibition de la synthèse: inhibiteur anhydrasecarbonique (Diamox™), corticostéroïdes, spironolactone, furosémide, isoflurane et
vasoconstricteurs directs
6. Physiologie médullaire
SNC entité anatomique et physiologique = Encéphale + Moelle
Equivalence entre notion de DSC et DSM. Contrôle identique (autorégulation, de couplage métabolique et vasoréactivité linéaire PaCO2 entre 20 et 90mmHg)
Substance grise: DSM = 50% DSC
Subtance blanche DSM 30% DSM total
PPME analogue de PPCPPME = PAM - pression extrinsèque appliquée à la moelle
Physiologie Médullaire
7. Neuropharmacologie & électrogénèse
Agent CMR DSC VSC LCR (secrétion)
LCR (résorption)
PIC
Halothane ↓↓ ↑↑↑ ↑↑ ↓ ↓ ↑↑Enflurane ↓↓ ↑↑ ↑↑ ↑ ↓ ↑↑Isoflurane ↓↓↓ ↑ ↑↑ ± ↑ ↑Desflurane ↓↓↓ ↑ ? ↑ ↓ ↑↑Sévoflurane ↓↓↓ ↑ ? ? ? ↑↑N20 ↓ ↑ ± ± ± ↑Barbituriques ↓↓↓↓ ↓↓↓ ↓↓ ± ↑ ↓↓↓Etomidate ↓↓↓ ↓↓ ↓↓ ± ↑ ↓↓Propofol ↓↓↓ ↓↓↓↓ ↓↓ ? ? ↓↓Benzodiazépines ↓↓ ? ↓ ± ↑ ↓
Kétamine ± ↑↑ ↑↑ ± ↓ ↑↑
Opiacés ± ± ± ± ↑↑ ±Lidocaïne ↓↓ ↓↓ ↓↓ ? ? ↓↓
1,1MAC
1,1MAC
1,1MAC
1,1MAC
1MAC
Murphy FL et al Anesthesiology 1974Todd MM et al Anesthesiology 1982Todd MM et al Anesthesiology 1984Scheller MS et al Anesthesiology 1988Mielck F et al Anesth Analg 1999
Pierce EC et al J Clin Invest 1962Stephan H et al Anaesthetist 1987Jobes DR et al Anesthesiology 1977Vernhiet J et al Ann Anesth Franc1977Stephan H et al Anaesthetist 1991Paris A et al Anesth Analg 1998Takeshita H et al Anesthesiology 1972Zornow MH et al J Neurosurg 1981
A partir de Chapter 2 « The Cerebral Circulation » dans « Core Topics in NeuroAnesthesia and NeuroIntensive Care » Ed. Basil F. Matta, Cambridge Medicine Publisher, 2011
Mais l’effet, c’est aussi la façon d’y arriver…
Gla
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SSEP
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CA
NfM
RI
Vare
ta
OA
AS
Scor
e
Agent EEG PES PEATC PEAML PEV
Petite dose
Haute dose
Amp Lat Amp Lat Amp Lat Amp Lat
HalothaneEnfluraneIsoflurane ↑↑ ↓↓↓
[1-2MAC]↓↓↓ ↑ ± ↑ ↓↓↓↓ ↑↑ ± ↑
Desflurane ↑ ↓↓ [1MAC]
↓ ↑ ± ↑ ↓↓↓ ↑↑ ± ↑↑
Sévoflurane ↑ ↓↓↓[1-2MAC]
↓ ↑ ± ↑ ↓↓↓ ↑↑ ± ↑↑
N20 ↑ ↓[>2MAC]
↓ ± ± ± ↓ ↑ ↓ ↑
Barbituriques ↑ ↓↓↓↓ ↓ ↑ ± ± ↓↓↓↓ ↑↑ ↓ ↑Etomidate ↑↑ ↓↓ ± ↑ ± ↑ ↓↓↓ ↑ ? ?Propofol ↑↑ ↓↓↓↓ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓↓↓↓ ↑↑ ↓ ↑Benzodiazépines ↑ ↓↓↓ ↓ ± ± ± ↓↓↓ ↑ ± ±
Kétamine ↑↑ ↑ ± ± ± ± ↓↓↓ ↑ ? ?
Opiacés ± ↓ ± ± ± ± ± ± ± ±
Extracellulaire
Intracellulaire
AAI (GABA A, B)
Alpha 25HT 1,3M+ (μ, δ, κ)CCK (A, B)
AAE (NMDA, AMPA)
AchSub P, NeurokininesNK (1 à 3)
CGRPSomastatin
AGONISTES DES VOIES INHIBITRICES
BarbituriquesBZD
PropofolEtomidate
Alpha2 agonistesOpiacés
N20
ANTAGONISTES DES VOIES
ACTIVATRICES
Kétamine(Xénon)
Inhibition Conduction Axonale
HALOGENES
HalothaneEnfluraneIsofluraneDesfluraneSévoflurane
ANTAGONISTES DES VOIES
ACTIVATRICES
KétamineXénon
IsofluraneSévoflurane(Desflurane)
Dickinson R et al« Competitive Inhibition at the Glycine Site of the N-Methyl-D-Aspartate Receptor by the Anesthetics Xenon and Isoflurane »Anesthesiology 2007; 107: 756-67
Anesth Analg 2000; 91: 1282-88
En termes de diminution du métabolisme cérébral, d’une part, et du débit sanguin cérébral, d’autre part, le sévoflurane représente une réelle alternative intéressante au propofolVrai
Les agents halogénés actuels sont à considérer comme de molécules inhibitrices à la fois cholinergique et des récepteurs aux acides aminés excitateurs (NMDA, AMPA, métabotropiques)Vrai
2000 2001 2002 2003 2004 2005
Ralentissement le plus marqué:1. Gyrus orbital et rectus du
cortex prefrontal 2. Cortex préfrontal dorso-latéral3. Gyrus frontal supérieur4. Gyrus précentral5. Gyrus paracentral6. Gyrus parahippocampal et
cingulaire7. Amygdale8. Thalamus
John ER et coll Conscious Cognition 2001
QEEG Variable ResolutionElectromagnetic Tomography (VARETA)
Distribution des activités de 3-5Hz au cours d’une anesthésie au propofol
RE
T
Triade Neuronale ThalamiqueNeurones Cortico-ThalamiquesInhibition par noyau RE↓ cholinergique↑ sérotoninergiqueSeuil du potentiel de rebond
= Activation EEG
Substance Réticulée Ascendante Activatrice
Influx nociceptifs ou non
= Modulation de l’EEG
1. Inhibition SRAA
2. Bloquage TNT 3. Inhibition neurones thalamiques
4
↓ oscillations↓fréquencesδ prédominant
John ER et coll Conscious Cognition 2001
2000 2001 2002 2003 2004 2005
3
Stimulations nociceptivesStimulations non nociceptives
2
1
Substanceréticulée
ascendanteactivatrice
ThalamusProjections
thalamo-corticales
Aires corticales
Modèle Neuro-Anatomo-Fonctionnel des « Trois Niveaux »
3
Stimulations nociceptivesStimulations non nociceptives
1
Inhibitionsubstance
réticuléeascendanteactivatrice
Inhibition « système mésolimbique
-cortex préfrontal »= Blocage mémoire
Inhibitionnoyau réticulé
= Fermeturethalamique
GABAergique 2
4
Blocagethalamocortical
= Blocage« perception » 5
Blocagecoordination fronto-pariétale= Blocage cognitif et de la « sensation »
6
Inhibitioncortex préfrontal
= Réduction risque réveil
Cascade de la Conscience
Gerhard Schneider MD, Eberhard F. Kochs MD
L’effet d’une anesthésie générale observable sur l’électroencéphalogramme correspond à une dépression du cortex cérébral passant par une mécanisme d’action direct à ce niveauFaux
Une dépression corticale importante (un rapport émission suppression inférieur à 50) est une cible pharmocodynamiquerecommandable puisqu’elle correspond à une protection cellulaire neuronale optimale à ce moment là Faux
2008ISBN 978-1-4160-4653-0
2011ISBN 978-0-521-19380-1
2 livres pratiques …
2010ISBN 978-0-323-05908-4
2011 [30 novembre]
ISBN 978-0-521-19057-22011 [14 novembre]
ISBN 978-1-451-10265-9
3 traités …