Lorsque l’anesthésie par inhalation ne peut être utilisée chez le rat, la combinaison de kétamine et de xylazine est l’alternative la plus fréquemment utilisée. Les doses administrées peuvent varier selon le protocole expérimental. En présence de fièvre, d’infections ou de processus tumoral accompagné de fièvre, la pharmacocinétique de ces drogues peut être modifiée. Ce projet porte sur l’évaluation des changements physiologiques, hématologiques, biochimiques et pharmacocinétiques chez le rat Sprague Dawley lors d’anesthésie avec le mélange kétamine-xylazine suite à l’administration de trois doses différentes de lipopolysaccharide (LPS). Après l’administration de LPS, une anesthésie à la kétamine-xylazine fut induite chez des rats Sprague Dawley. Des prélèvements sanguins périodiques ainsi que des mesures des paramètres physiologiques furent effectués afin d’évaluer l’effet du LPS sur la pharmacocinétique des deux drogues ainsi que sur les paramètres biochimiques et hématologiques. Les différentes doses de LPS ont causé certaines modifications notamment en produisant une baisse marquée de la saturation en oxygène et de l’albumine sérique, une augmentation de la durée d’anesthésie ainsi que des lésions hépatiques mineures. Les paramètres pharmacocinétiques de la kétamine furent peu altérés par l’administration de LPS tandis qu’une diminution de la clairance et une augmentation de l’aire sous la courbe (AUC) furent observées pour la xylazine dans les groupes ayant reçu les doses moyenne et élevée de LPS. Ces résultats montrent que les doses de xylazine doivent être adaptées en présence de LPS pour permettre une anesthésie de courte durée et des changements physiologiques et biochimiques moindres lorsqu’elle est administrée avec de la kétamine. / When inhalation anesthesia cannot be used in laboratory rats, ketamine-xylazine combination is the most frequent alternate regimen. The administrated doses can vary according to the experimental protocol. During fever episodes, infections or tumoral process, the pharmacokinetics of these drugs can be modified. This project focuses on the evaluation of the physiological, hematological, biochemical and pharmacokinetics changes in Sprague Dawley rats during ketamine-xylazine anesthesia, after administration of three different doses of lipopolysaccharide (LPS). After administration of LPS to Sprague Dawley rats, ketamine-xylazine anesthesia was induced. Periodic blood samplings and monitoring of physiologic parameters were made in order to evaluate the effect of LPS on ketamine-xylazine pharmacokinetics and hematological and biochemical parameters. The different LPS doses caused specific parameter modifications including a marked decrease of oxygen blood saturation and serum albumin, a longer anesthesia duration and minor hepatic lesions. No significant modifications of pharmacokinetics parameters of ketamine were observed. An increase of area under curve (AUC) and a decrease of xylazine clearance were noted in groups who received medium and large doses of LPS. These results show that that xylazine doses need to be adapted in the presence of LPS, to allow a shorter duration anaesthesia and lesser physiological and biochemical changes when administered with ketamine.

En salle d’opération, les tâches de l’anesthésiste sont nombreuses. Alors que l’utilisation de nouveaux outils technologiques l’informe plus fidèlement sur ce qui se passe pour son patient, ces outils font que ses tâches deviennent plus exigeantes. En vue de diminuer cette charge de travail, nous avons considérer l’administration automatique d’agents anesthésiques en se servant de contrôle en boucle fermée. À cette fin, nous avons développé un système d’administration d’un agent anesthésique (le propofol) visant à maintenir à un niveau optimal la perte de conscience du patient pendant toute la durée d’une chirurgie. Le système comprend un ordinateur, un moniteur d’anesthésie et une pompe de perfusion. L’ordinateur est doté d’un algorithme de contrôle qui, à partir d’un indice (Bispectral IndexTM ou BIS) fournit par le moniteur d’anesthésie détermine le taux d’infusion de l’agent anesthésiant. Au départ, l’anesthésiste choisit une valeur cible pour la variable de contrôle BIS et l’algorithme, basé sur système expert, calcule les doses de perfusion de propofol de sorte que la valeur mesurée de BIS se rapproche le plus possible de la valeur cible établie. Comme interface-utilisateur pour un nouveau moniteur d’anesthésie, quatre sortes d’affichage ont été considérés: purement numérique, purement graphique, un mélange entre graphique et numérique et un affichage graphique intégré (soit bidimensionnel). À partir de 20 scenarios différents où des paramètres normaux et anormaux en anesthésie étaient présentés à des anesthésistes et des résidents, l’étude des temps de réaction, de l’exactitude des réponses et de la convivialité (évaluée par le NASA-TLX) a montré qu’un affichage qui combine des éléments graphiques et numériques était le meilleur choix comme interface du système. Une étude clinique a été réalisée pour comparer le comportement du système d’administration de propofol en boucle fermée comparativement à une anesthésie contrôlée de façon manuelle et conventionnelle où le BIS était aussi utilisé. Suite à l’approbation du comité d’éthique et le consentement de personnes ayant à subir des chirurgies générales et orthopédiques, 40 patients ont été distribués également et aléatoirement soit dans le Groupe contrôle, soit dans le Groupe boucle fermée. Après l’induction manuelle de propofol (1.5 mg/kg), le contrôle en boucle fermée a été déclenché pour maintenir l’anesthésie à une cible de BIS fixée à 45. Dans l’autre groupe, le propofol a été administré à l’aide d’une pompe de perfusion et l’anesthésiste avait aussi à garder manuellement l’indice BIS le plus proche possible de 45. En fonction du BIS mesuré, la performance du contrôle exercé a été définie comme excellente pendant les moments où la valeur du BIS mesurée se situait à ±10% de la valeur cible, bonne si comprise de ±10% à ±20%, faible si comprise de ±20% à ±30% ou inadéquate lorsque >±30%. Dans le Groupe boucle fermée, le système a montré un contrôle excellent durant 55% du temps total de l’intervention, un bon contrôle durant 29% du temps et faible que pendant 9% du temps. Le temps depuis l’arrêt de la perfusion jusqu’à l’extubation est de 9 ± 3.7 min. Dans le Groupe contrôle, un contrôle excellent, bon, et faible a été enregistré durant 33%, 33% et 15% du temps respectivement et les doses ont été changées manuellement par l’anesthésiste en moyenne 9.5±4 fois par h. L’extubation a été accomplie après 11.9 ± 3.3 min de l’arrêt de la perfusion. Dans le Groupe boucle fermée, un contrôle excellent a été obtenu plus longtemps au cours des interventions (P<0.0001) et un contrôle inadéquat moins longtemps (P=0.001) que dans le Groupe contrôle. Le système en boucle fermée d’administration de propofol permet donc de maintenir plus facilement l’anesthésie au voisinage d’une cible choisie que l’administration manuelle. / In the operating room, the anaesthetist performs numerous tasks. New technological tools better inform him about the state of the patient but render his task more demanding. To alleviate the anaesthetist workload, we have considered the automatic administration of anesthetic drugs using closed-loop control. In this respect, we have developed a system for the administration of an anesthetic agent (propofol) in order to maintain loss of consciousness at an optimal level throughout a surgery. The system comprises a computer, an anaesthesia monitor and an infusion pump. A control algorithm installed on the computer determines the infusion rate of the hypnotic drug based on the Bispectral IndexTM (BIS) provided by the monitor. At first, the anaesthetist chooses a target value for the control variable BIS and the algorithm, which consists of an expert system, calculates the infusion doses of propofol in order to steer the measured BIS value closer to the target value. For the user-interface of a novel anaesthesia monitor, four display types were considered: purely numeric, purely graphical, a mixed graphical and numerical and a bi-dimensional integrated graphical display. Based on 20 different scenarios where normal and abnormal anaesthesia parameters were presented to anaesthetists and residents, the study of the reaction time, response accuracy and user-friendliness (assessed by the NASA-TLX) showed that a mixed graphical and numerical display is the best preferred for the interface of the system. A clinical study was conducted in order to compare the behaviour of the system of administering propofol in closed-loop to manually controlled anaesthesia guided by BIS. After Institutional Review Board approval and written consent, 40 patients undergoing orthopaedic or general surgery were randomly assigned to 2 groups of equal size. After manual propofol induction (1.5 mg/kg), closed loop control was used to maintain anesthesia at a target BIS of 45 (Closed-loop group); in the other group, propofol was administered manually using a syringe pump by an experienced anaesthesiologist in order to maintain a target BIS of 45 as closely as possible (Control group). The performance of the system was defined as excellent, good, poor or inadequate, when the BIS was within 10%, between 10 and 20%, between 20 and 30% or outside 30% of the target BIS, respectively. In the Closed-loop group, the system showed excellent control during 55% of the total anaesthesia time, good control during 29% of the time and poor control during 9% of the time. The time from the end of infusion to extubation was 9 ± 3.7 min. In the Control group, excellent, good and poor control were noted during 33%, 33% and 15% of the time, respectively and doses were changed 9.5 ± 4 times per h. Extubation was achieved after 11.9 ± 3.3 min from the end of infusion. In the Closed-loop group, excellent control of anesthesia occurred significantly more often (P<0.0001) and inadequate control less often than in the Control group (P=0.001). The present system of administering propofol in closed-loop maintains the anesthesia level closer to a given target than manual administration.

Les effets cardiovasculaires des alpha-2 agonistes, particulièrement importants chez les chiens, limitent leur utilisation en pratique vétérinaire. La perfusion à débit constant (PDC) de ces drogues, comme la médétomidine (MED) permettrait un contrôle plus précis de ces effets. Les effets hémodynamiques de plusieurs doses de MED en PDC ont été évalués chez le chien. Lors de cette étude prospective, réalisée en double aveugle, 24 chiens en santé, ont reçu de façon aléatoire une des 6 doses de MED PDC (4 chiens par groupe). Les chiens ont été ventilés mécaniquement pendant une anesthésie minimale standardisée avec de l’isoflurane dans de l’oxygène. Une dose de charge (DC) de médétomidine a été administrée aux doses de 0.2, 0.5, 1.0, 1.7, 4.0 ou 12.0 µg/kg pendant 10 minutes, après laquelle la MED PDC a été injectée à une dose identique à celle de la DC pendant 60 minutes. L’isoflurane a été administré seul pendant une heure après l’administration d’une combinaison d’ISO et de MED PDC pendant 70 minutes. La fréquence cardiaque (FC), la pression artérielle moyenne (PAM) et l’index du débit cardiaque (IC) ont été mesurés. Des prélèvements sanguins ont permis d’évaluer le profil pharmacocinétique. D’après ces études, les effets hémodynamiques de la MED PDC pendant une anesthésie à l’isoflurane ont été doses-dépendants. L’IC a diminué progressivement alors que la dose de MED augmentait avec: 14.9 (12.7), 21.7 (17.9), 27.1 (13.2), 44.2 (9.7), 47.9 (8.1), and 61.2 (14.1) % respectivement. Les quatre doses les plus basses n’ont provoqué que des changements minimes et transitoires de la FC, de la PAM et de l’IC. La pharmacocinétique apparaît clairement dose-dépendante. De nouvelles expériences seront nécessaires afin d’étudier l’utilisation clinique de la MED PDC. / The cardiovascular effects of alpha-2 agonists, particularly pronounced in dogs, limit their use in veterinary practice. The use of these drugs, namely medetomidine (MED), by constant rate infusion (CRI), could allow more precise control of the cardiovascular effects. The haemodynamic responses of MED CRI at several dosages in dogs were investigated. In a prospective, blinded study, 24 healthy beagles randomly received one of 6 MED CRI regimens (4 dogs per regimen). Dogs were mechanically ventilated to maintain stable low-level isoflurane (ISO) anaesthesia in oxygen. A loading MED infusion was administered at 0.2, 0.5, 1.0, 1.7, 4.0 or 12.0 µg•kg-1 for 10 min, followed by maintenance CRI for 60 min providing identical dose amounts for all dogs (total duration for MED and ISO: 70 min). Isoflurane was then administered alone for an additional hour. Heart rate (HR), mean arterial blood pressure (MAP), and cardiac index (CI) were recorded. Blood sampling was performed to establish pharmacokinetic profiles. Based on this study, the hemodynamic effects of MED CRI during ISO anaesthesia were found to be dose-dependent. Baseline CI decreased dose-dependently as MED dose increased by: 14.9 (12.7), 21.7 (17.9), 27.1 (13.2), 44.2 (9.7), 47.9 (8.1), and 61.2 (14.1) % respectively. The four lowest dosages created limited and transient changes in HR, MAP, and CI. Pharmacokinetics were dose-dependent. Further investigations for perioperative use are warranted.

En pratique clinique, les résultats de l’Anesthésie Loco-Régionale diffèrent parfois notablement de ceux prévus par les traités d’anatomie. Le but de notre travail a été de montrer que les nerfs musculocutané (MC) et cutanémédial de l’avant-bras (CMAB) participent fréquemment à l’innervation cutanée de la paume de la main. L’analyse multivariée de 551 patients opérés du canal carpien a révélé que l’absence de bloc du nerf MC était associée aux échecs de l’ALR. Pourtant, ce résultat était en partie masqué par une fréquente diffusion d’anesthésique local du nerf médian vers le nerf MC au bras, comme le prouve l’étude échographique de l’anatomie des nerfs au creux axillaire chez 387 autres patients. Une cartographie du territoire cutané des nerfs MC (N=28) et CMAB (N=2l) à la face antérieure de la main et du poignet a révélé des territoires bien plus étendus que ceux décrits dans la littérature. Les microdissections de ces 2 nerfs sur 23 membres supérieurs ont permis d’associer les différents types de territoires décrits lors des cartographies à diverses configurations anatomiques. Il convient donc d’anesthésier ces deux nerfs pour toute chirurgie de la paume de la main. / In daily practice, the extent of peripheral nerve blockade often differs from the one predicted by referencetextbooks. In this work, we strived to demonstrate that musculocutaneous (MC) and medial antebrachialcutaneous (MABC) nerves participate frequently in the palm innervation. A multivariate analysis of 551 patients operated from carpal tunnel release showed that the absence of MC nerve block was associated with anesthesia failure. Yet, these results were minimized by frequent local anesthetic diffusion from the median nerve to the MC one at the arm, as demonstrated by our anatomical study of the nerves in 387 ultrasound guided axillary blocks. Cutaneous territory mapping of MC (N28) and MABC (N=2 1) nerves revealed their territories were far more extended than the ones described in reference textbooks. Microdissections of these nerves on 23 upper limbs allow to associate the different types of territories with several anatomical patterns. Therefore, MC and MABC nerve should be blocked when considering any palm surgery.

L’anesthésie loco-régionale présente une alternative intéressante à l’anesthésie générale dans de nombreuses interventions chirurgicales. L’atout majeur de cette technique est qu’elle réduit grandement les scores de douleurs et améliore par la même la mobilité post-opératoire. L’anesthésie locorégionale écho-guidée (UGRA) devient aujourd’hui, la méthode de référence dans le domaine de l’anesthésie, offrant de nombreux avantages par rapport aux autres méthodes comme la neurostimulation. Cependant, cette technique nécessite en contrepartie un apprentissage spécifique afin d’éviter des complications sévères liées à une erreur de localisation visuelle du nerf dans les images échographiques. L’objectif de cette thèse est de faciliter et de sécuriser la pratique de l’anesthésie loco-régionale écho-guidée. Dans un premier temps, nous avons proposé une méthode de détection du nerf mettant en oeuvre un algorithme qui suite à un prétraitement à partir de filtres fréquentielles, réalise une analyse de texture par apprentissage. Dans ce cadre, deux nouvelles approches ont été explorées : l’une concerne la caractérisation du nerf qui s’appuie sur la prise en compte du bruit présent dans une image ultrasonore, bruit ayant été au préalable atténué partiellement. L’autre propose une technique de sélection des caractéristiques mettant en avant celles qui sont les moins redondantes et les plus pertinentes. Dans un second temps, après étude fine du comportement variable de la morphologie du nerf tout au long d’une séquence d’images ultrasonores, nous avons développé un modèle dynamique ayant comme paramètres des informations en lien avec la cohérence temporelle de la position, de la forme et la confiance de classification des ROI potentielles afin de générer une segmentation robuste. Il est proposé également dans cette partie, un nouveau modèle de forme prenant en compte un ensemble d’intervalles de points de repères du contour, permettant ainsi de s’adapter aux variations de la forme du nerf dans le temps. / Regional anesthesia presents an interesting alternative or complementary act to general anesthesia in many surgical procedures. It reduces pain scores, improves postoperative mobility and facilitates earlier hospital discharge. Ultrasound-Guided Regional Anesthesia (UGRA) has been gaining importance in the last few years, offering numerous advantages over alternative methods of nerve localization (neurostimulation or paraesthesia). However, nerve detection is one of the most difficult tasks that anesthetists can encounter in the UGRA procedure. The context of the present work is to provide practitioners with a method to facilitate and secure the practice of UGRA. However, automatic detection and segmentation in ultrasound images is still a challenging problem in many medical applications. This work addresses two main issues. The first one, we propose an algorithm for nerve detection and segmentation in ultrasound images, this method is composed of a pre-processing, texture analysis and machine learning steps. In this part of work, we explore two new approaches ; one to characterize the nerve and the second for selecting the minimum redundant and maximum relevant features. The second one, we studied the nerve detection in consecutive ultrasound frames. We have demonstrated that the development of an algorithm based on the temporal coherence of the position, the shape and the confidence measure of the classification, allows to generate a robust segmentation. In this work, we also propose a new model of shape based on a set of intervals landmarks able to adapt to the nerve shape under a morphological variations.

La médecine palliative a pour finalité le suivi médical et humain de la personne en phase terminale en cherchant à lui prodiguer, le plus possible, un confort physique et psychologique. Ce confort est en grande partie lié au contrôle de la douleur physique au moyen d’analgésiques dont le dosage est constamment ajusté. Dans la plupart des cas, le contrôle de la douleur et un accompagnement humain pourront assurer au patient en phase terminal un apaisement physique et psychologique, tout en le laissant pleinement conscient. Il arrive cependant que des situations peuvent échapper au contrôle médical et pour lesquelles il n’est plus possible de soulager la souffrance avec les moyens courants disponibles, fussent-ils les plus efficaces. Une pratique qui est alors utilisée est celle d’induire le patient dans un sommeil artificiel au moyen de sédatifs puissants, afin de lui faire perdre la conscience de sa souffrance. Cette mise en sommeil pharmacologiquement induit pour une période déterminée est appelé sédation active ou sédation continue. Les situations extrêmes sont rares mais pas exceptionnelles. La pratique de la sédation continue soulève de nombreux enjeux éthiques. À partir d’une topologie des lieux éthiques que nous proposerons, nous explorerons un certain nombre de pistes qui peuvent éclairer ces enjeux. Nous situerons, en particulier, la sédation continue par rapports aux pratiques euthanasiques et par rapport aux soins palliatifs.

La question maîtresse de nos investigations était: Comment les modulations des signaux excitateurs et inhibiteurs mènent à des changements d’état de conscience dans le cerveau – est-ce que l’éveil, le sommeil et le coma sont simplement des points repères dans un continuum allant de la prédominance de l’excitation (pendant l’éveil) à une prévalence ultime de l’inhibition (pendant le coma)? Nous avons tenté de répondre à cette question par une approche à plusieurs niveaux, incluants a) la modulation sub-cellulaire des concentrations ioniques, b) la réactivité intracellulaire à des stimuli externes, et c) des mesures de l’activité globale du cerveau par électroencéphalogramme (EEG). Nos études ont porté exclusivement sur des expériences réalisées in vivo en aigu sur des rats et des chats profondément anesthésiés. Sachant que l’un des facteurs dans la modulation de l’inhibition est la régulation des entrées et sorties du chlore dans les cellules nerveuses, nos investigations ont débuté en questionnant l’influence que cet ion pourrait avoir sur les réponses inhibitrices du réseau. La signalisation inhibitrice basée sur le chlore a pour pré-requis un certain gradient électrochimique entre le cytoplasme et l’espace extracellulaire. Jusqu’à maintenant, il a été largement admis que la diffusion fournissait la force nécessaire à une égale distribution du Cl- dans l’espace extracellulaire et qu’une petite redistribution prenait place après de fortes activités dans le réseau, incluant la signalisation inhibitrice. Par opposition, nous avons montré une différence significative entre les niveaux de Cl- extracellulaire disponibles dans une même région au sein de notre structure cible, la formation hippocampique. Ces résultats suggèrent que le cerveau pourrait employer des mécanismes pour contrer le processus de diffusion et ainsi créer des accumulations spécifiquement régionales d’ions – le plus probablement pour supporter les besoins en approvisionnement. Dans notre modèle, les états de conscience étaient contrôlés par l’induction d’une anesthésie générale; nous avons donc éteint intentionnellement la balance excitation-inhibition des mécanismes de signalisation du cerveau. Des recherches précédentes ont montré que l’anesthésie avec de l’isoflurane amenait l’inconscience par la modulation des neurones thalamocorticaux. Ces neurones agissent en tant que relai pour les signaux sensoriels afférents en route vers le cortex. L’isoflurane hyperpolarise la membrane cellulaire de ces neurones et réduit donc leur réactivité aux signaux synaptiques externes. Il semblerait que la plupart des neurones corticaux ne soient pas soumis à la modulation de l’isoflurane de la même façon. Au contraire, nous avons observé une diminution des réponses inhibitrices aux stimuli afférents dans les neurones corticaux sous l’augmentation des niveaux d’isoflurane, plus spécifiquement pendant les conditions produisant le coma induit par l’anesthésie. En complément à ces micro-mécanismes dynamiques, nous avons aussi investigué les processus globaux au niveau du cerveau entier qui se rapportent à l’inhibition. Nous avons observé 2 nouveaux phénomènes sous ces conditions d’anesthésie : Premièrement, nous avons démontré que même pendant les états comateux, des stimulations sous-liminales pouvaient induire des réponses cérébrales en bouffées, i.e. des bursts. Cependant, cela n’est observé que pendant une certaine fenêtre temporelle de l’anesthésie; lors du passage d’un état similaire au sommeil à l’état de coma. Donc, des réponses synaptiques peuvent en effet être induites même pendant des états comateux. Cette découverte pourrait constituer une pièce vitale du casse-tête pour les cliniciens travaillant avec les patients comateux et tentant de revitaliser leurs circuits cérébraux. En second lieu, nous avons observé un nouveau patron d’activité cérébrale émergeant d’une anesthésie à forte dose d’isoflurane – au-delà des niveaux requis pour l’induction d’une ligne d’EEG isoélectrique. Cette découverte surprenante démontre l’importance de la balance, au niveau d’un circuit, entre l’excitation et l’inhibition, car bien que la ligne isoélectrique semble signifier l’ultime domination de l’inhibition, une forme d’activité excitatrice peut émerger et revitaliser les circuits cérébraux. Nous concluons que l’excitation et l’inhibition pourraient ne pas se balancer dans un mode de tout ou rien et qu’une augmentation de l’inhibition ne cause pas automatiquement le sommeil et/ou le coma. Plutôt, l’excitation et l’inhibition devraient être comprises en tant que processus très localisés pendant lesquels l’activité de quelques neurones peut faire pencher la balance entre les états de conscience. / The guiding question for our investigations was: How do modulations in excitatory and inhibitory signaling lead to changes in the state of consciousness in the brain - are wakefulness, sleep and coma only landmarks on a continuum ranging from predominance of excitation (during wakefulness) to an ultimate prevalence of inhibition (during coma)? We addressed this question by a multilayered approach including a) sub-cellular investigations of modulations of ionic concentrations, b) intracellular responsiveness to excitatory stimuli, and c) EEG measures of whole-brain activity. Our studies were carried out exclusively in acute in vivo experiments on deeply anesthetized rats and cats. Since one of the factors in modulating inhibition is the accessibility of chloride inside- and outside of nerve cells, we began our investigations by asking which influence the availability of this ion might have on inhibitory network responses. Chloride-based inhibitory signaling requires a certain electrochemical gradient between the cytoplasm and the extracellular space as a permissive prerequisite. Thus far, it is widely assumed that diffusion provides a sufficient driving force to evenly distribute Cl- within the extracellular space and that a small re-distribution takes place after strong network activity including inhibitory signaling. In contrast we show a significant difference in regional levels of available extracellular Cl- within our target structure, the hippocampal formation. These findings suggest that the brain might employ mechanisms to counteract diffusion processes and thus create region-specific accumulations of ions - most likely to support needs of supply and demand. In our model, the states of vigilance and consciousness were controlled by application of general anesthesia and by doing so we intentionally offset the balance of excitatory and inhibitory brain signaling mechanisms. Previous research has shown that isoflurane anesthesia induces unconsciousness by modulating thalamocortical neurons. These neurons act as a relay for afferent sensory signals en route to the cortex. Isoflurane hyperpolarizes the cell membrane of these neurons and thus reduces their responsiveness to excitatory synaptic signaling. At the same time it appears that most cortical neurons are not subjected to isoflurane modulation in the same way. On the contrary, we observed diminishing inhibitory responses to afferent stimuli in cortical neurons under increasing levels of isoflurane, especially during conditions producing anesthesia-induced coma. In addition to these micro dynamic mechanisms we also investigated global whole-brain processes pertaining to inhibition. Under conditions of deep anesthesia, we observed two novel phenomena: Firstly, we demonstrated that even during comatose states, subliminal stimulations can elicit brain bursting responses - however only during a certain window during the anesthesia-induced passage from sleep-like behaviors to coma. Therefore, synaptic responses can indeed be elicited even during comatose states. This finding may constitute a vital piece of the puzzle for clinicians working with comatose patients and trying to re-vitalize brain circuits. Secondly, we observed a novel brain activity pattern which emerges under extremely high applications of isoflurane anesthesia – beyond the levels required for induction of a continuously flat (isoelectric) EEG line. This surprising finding demonstrates the importance of the circuit-level balance between excitation and inhibition, as even though the isoelectric line might appear to pose the ultimate dominance of inhibition, some form of excitatory activity can emerge and re-vitalize brain circuits. We conclude that excitation and inhibition might not balance in an all-or-none fashion and that an increase in inhibition does not automatically cause sleep and/or coma. Rather, excitation and inhibition should be understood as very localized processes during which the activity of a few neurons can tip the balance between the states of consciousness.

L'eugénol (2-methoxy-4-(2-propenyl) phénol), produit dérivé du clou de girofle (Eugenia aromatica), fut tout d’abord utilisé en application topique à des fins d’analgésie dentaire. Il produit également une anesthésie chirurgicale lorsque administré en immersion chez les poissons. L’eugénol agit sur les récepteurs vanilloïdes, sensibles à la chaleur, aux protons et à certaines molécules lipidiques. Ces récepteurs jouent un rôle important dans le mécanisme de l’inflammation et de l’hyperalgésie. L’eugénol pourrait également produire ses effets par antagonisme des récepteurs glutamaergiques (NMDA) et par son activation des récepteurs GABAergiques. Considérant que l’eugénol produit des effets analgésiques et anesthésiques, des études de pharmacocinétique et de pharmacodynamie furent réalisées chez la grenouille (Xenopus laevis), le poisson (Oncorhynchus mykiss) et le rat (Rattus norvegicus). Les résultats démontrent que l’eugénol administré par immersion à une dose efficace permet d’atteindre une anesthésie chirurgicale chez les grenouilles (350 mg/L) et les poissons (75 mg/L). Suite à des analyses plasmatiques par LC/MS/MS, la pharmacocinétique des grenouilles, des poissons et des rats montre que la drogue est éliminée et qu’il pourrait y avoir une recirculation entérohépathique plus importante chez la grenouille et le rat. La longue demi-vie chez le rat suggère aussi une accumulation dans les tissus après des administrations répétées. Suite à l’administration intraveineuse d’une dose de 20 mg/kg chez le rat, l’eugénol induit une anesthésie chirurgicale pour une très courte période de temps variant autour de 167 s. Les résultats de sensibilité thermique confirment l’efficacité de l’eugénol pour réduire l’hyperalgésie induite chez des rats neuropathiques. L’effet pharmacologique de l’eugénol a démontré une augmentation progressive constante de l’analgésie sur une période de cinq jours de traitements journaliers. En conclusion, l’eugénol possède des propriétés analgésiques et anesthésiques chez la grenouille africaine à griffes (Xenopus laevis), le poisson (Oncorhynchus mykiss) et le rat (Rattus norvegicus). / Eugenol (2-methoxy-4-(2-propenyl) phenol), derived from cloves, was first used as a topical agent for dental analgesia by dentistry practitioners, and subsequently to induce surgical anaesthesia by immersion in fish. Eugenol binds to vanilloid receptors, which are sensitive to heat, protons and certains lipid molecules. These receptors also play an important role in the mechanisms of inflammation, as well as hyperalgesia (Kanai 2005, and Crotright 2004). Eugenol could also produce its effects via its antagonistic interactions with glutamaergiques receptors (NMDA), and agonistic interactions with GABAergic receptors. Considering that eugenol has analgesic and anesthetic effects, pharmacokinetic and pharmacodynamic studies were performed in frogs (Xenopus laevis), fish (Oncorhynchus mykiss) and rats (Rattus norvegicus). Results show that a surgical anesthetic dose was observed for frogs (350 mg/L) and fish (75 mg/L) with a eugenol solution. Pharmacokinetics were evaluated following LC/MS/MS plasma analysis of frogs, fish and rats. Results show that eugenol was eliminated in all species and that an enterohepathic recirculation was apparent for frogs and rats. The long half-life in rats suggests an accumulation in tissues following repeated administrations. Following an intravenous administration 20 mg/kg of eugenol, a surgical anesthesia of approximately 167 sec was observed in rats. Hargreave’s test results, evaluating hyperalgesia, show that eugenol reduced pain perception in a rat model of neuropathic pain. This pharmacological effect showed an increasing progression of the analgesia over the 5 days of daily treatments. In conclusion, eugenol has analgesic and anesthetic properties in African clawed frogs (Xenopus laevis), trout (Oncorhynchus mykiss) and rats (Rattus norvegicus).

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Introduction & Objectifs : Pour assurer l’analgésie postopératoire, l’anesthésiste dispose, en plus des différentes classes de médicaments administrés par voie orale ou intraveineuse, de diverses techniques pour bloquer l’influx nerveux douloureux en administrant les anesthésiques locaux (AL) de manière centrale ou périphérique. La ropivacaïne (ROP), un AL à longue durée d’action, est un médicament de première intention partout dans le monde, en raison de sa grande efficacité et de son faible risque de toxicité. Contrairement à certains pays, la ROP n'est toujours pas indiquée au Canada pour la rachianesthésie (bloc central) en raison d'un manque de données probantes. Jusqu'à présent, les efforts de recherche ont essentiellement porté sur la sécurité ainsi que sur la durée d’action du médicament lorsqu’administré par voie spinale. De plus, les doses optimales de ROP pour l’anesthésie régionale périphérique ne sont pas encore précisément connues. La posologie devrait être adaptée au site d’administration ainsi qu’à l’intensité et la durée du stimulus produit par la chirurgie. Ultimement, cela permettrait aux cliniciens d’identifier le régime optimal en fonction des facteurs démographiques qui pourraient affecter la pharmacocinétique (PK) et la pharmacodynamie (PD) de l’AL (objectif global de ces travaux). Validation de la Méthode Analytique Manuscrit 1 : Une méthode analytique spécifique et sensible permettant de déterminer les concentrations plasmatiques de ROP a d’abord été optimisée et validée. Validation du Biomarqueur Manuscrit 2 : Nous avons ensuite mis au point et évalué la fiabilité d’une méthode quantitative basée sur la mesure du seuil de perception sensorielle (CPT) chez le volontaire sain. Ce test nécessite l’application d’un courant électrique transcutané qui augmente graduellement et qui, selon la fréquence choisie, est capable de stimuler spécifiquement les fibres nerveuses impliquées dans le cheminement de l’influx nerveux douloureux. Les résultats obtenus chez les volontaires sains indiquent que la mesure CPT est fiable, reproductible et permet de suivre l’évolution temporelle du bloc sensitif. Études cliniques Manuscrit 3 : Nous avons ensuite caractérisé, pendant plus de 72 h, l’absorption systémique de la ROP lorsqu’administrée pour un bloc du nerf fémoral chez 19 patients subissant une chirurgie du genou. Le modèle PK populationnel utilisé pour analyser nos résultats comporte une absorption biphasique durant laquelle une fraction de la dose administrée pénètre rapidement (temps d’absorption moyen : 27 min, IC % 19 – 38 min) dans le flux sanguin systémique pendant que l’autre partie, en provenance du site de dépôt, est redistribuée beaucoup plus lentement (demi-vie (T1/2) : 2.6 h, IC % 1.6 – 4.3 h) vers la circulation systémique. Une relation statistiquement significative entre l’âge de nos patients et la redistribution de l’AL suggère que la perméabilité tissulaire est augmentée avec l’âge. Manuscrit 4 : Une analyse PK-PD du comportement sensitif du bloc fémoral (CPT) a été effectuée. Le modèle développé a estimé à 20.2 ± 10.1 mg la quantité de ROP nécessaire au site d’action pour produire 90 % de l’effet maximal (AE90). À 2 X la AE90, le modèle prédit un début d’action de 23.4 ± 12.5 min et une durée de 22.9 ± 5.3 h. Il s’agit de la première étude ayant caractérisé le comportement sensitif d’un bloc nerveux périphérique. Manuscrit 5 : La troisième et dernière étude clinique a été conduite chez les patients qui devaient subir une chirurgie du genou sous rachianesthésie. Tout comme pour le bloc du nerf fémoral, le modèle PK le plus approprié pour nos données suggère que l’absorption systémique de la ROP à partir du liquide céphalo-rachidien est biphasique; c.à.d. une phase initiale (T1/2 : 49 min, IC %: 24 – 77 min) suivie (délai: 18 ± 2 min) d'une phase légèrement plus lente (T1/2 : 66 min, IC %: 36 – 97 min). L’effet maximal a été observé beaucoup plus rapidement, soit aux environs de 12.6 ± 4.9 min, avant de revenir aux valeurs de base 210 ± 55 min suivant l’administration de l’agent. Ces données ont permis d’estimer une AE50 de 7.3 ± 2.3 mg pour l'administration spinale. Conclusion : En somme, ces modèles peuvent être utilisés pour prédire l’évolution temporelle du bloc sensitif de l’anesthésie rachidienne et périphérique (fémorale), et par conséquent, optimiser l’utilisation clinique de la ROP en fonction des besoins des cliniciens, notamment en ce qui a trait à l’âge du patient. / Background & Objectives: To provide postoperative analgesia, the anesthesiologist has at his disposal a panel of different medications and also regional techniques of neural blockade. Loco-regional analgesia (central or peripheral) blocks conduction of painful influx to the central nervous system by the use of local anesthetics (LA). Among these drugs, ropivacaine (ROP), has an enormous potential given is long-acting efficacy and low incidence of toxicity. Currently, ROP is not licensed for use in spinal anesthesia (central block) in all countries due to a lack of data from controlled clinical trials. So far, research efforts on this topic have mainly focused on safety and dose-finding issues. In addition, the most appropriate dose for a peripheral nerve block has never been estimated empirically. Dosing recommendation for LAs should be site-specific and adapted to the intensity of the stimuli produced by a surgery and to the duration of analgesia required. Ultimately, these should guide clinicians in identifying the most appropriate block for the individual patients by taking into account demographic factors that may affect the pharmacokinetics (PK) and pharmacodynamics (PD) of LA overall objective of the current research) Analytical Method Validation Manuscript 1: First, a specific and sensitive assay has been developed and validated for the determination of ROP in human plasma. Biomarker Validation Manuscript 2: Second, the reliability of a neurostimulator measuring current perception threshold (CPT) was assessed in healthy volunteers. The device uses a constant transcutaneous electrical sine wave stimulus at different frequencies specific to pain-conducting fibers. Our results suggest that CPT are reliable and can be applied to characterize, in a quantitative manner, the sensory onset of a peripheral nerve block in a clinical setting. Clinical Studies Manuscript 3: The systemic absorption of ROP after a femoral nerve block in orthopedic patients was then characterized using extended rich PK-sampling, i.e. up to 4 days post-dosing. Our model used for data analysis confirms that, in a similar manner to neuraxial sites of LAs injection, the systemic absorption of ROP from the femoral space is biphasic, i.e. a rapid initial phase (mean absorption time of 25 min, % CI: 19 – 38 min) followed by a much slower phase (half-life (T1/2) of 3.9 h, % CI: 2.9 – 6.0 h). A significant age-related increase in the permeability of the LA was also observed in our elderly patients (n = 19, age = 62.6 ± 7.1 yr). Manuscript 4: A population PK-PD analysis of the sensory anesthesia (CPT) of ROP using our PK model was also performed. The effect-site amount producing 90% of the maximum possible effect (AE90) was estimated as 20.2 ± 10.1 mg. At 2 x AE90, the sigmoid Emax model predicted an onset time of 23.4 ± 12.5 min and a duration of 22.9 ± 5.3 h. To the best of our knowledge, this is the first PK-PD model developed for a peripheral nerve block. Manuscript 5: In the third and last study, a similar approach was used to characterise the PK-PD relationship of intrathecally administered ROP in patients undergoing minor lower limb surgery. The biphasic release of the agent from the intrathecal space was modeled using a rapid initial absorption phase (T1/2 of 49 min, % CI: 24 – 77 min) followed (lag-time of ~ 18 ± 2 min) by a slightly slower input rate (T1/2 of 66 min, % CI: 36 – 97 min). ROP maximal response was observed within 12.6 ± 4.9 min of dosing, with a subsequent return to baseline 210 ± 55 min after the administration of the LA. The effect-site amount producing 50 % of the Emax (AE50) was estimated at 7.3 ± 2.3 mg. Conclusion: Altogether, the proposed models can be used to predict the time-course of sensory blockade after a femoral nerve block and spinal anesthesia using ROP and to optimize dosing regimen according to clinical needs with regard to important cofactors such as age.