The role of CEA for stroke prevention in the presence of symptomatic carotid artery stenosis is well established. In order to maximize the benefit of surgery, several perioperative processes of care have been under scrutiny, of which one is the choice of anaesthetic method. The differing effects of GA vs. LA on the cerebral circulation after CEA may be of significance, since changes in the cerebral circulation post-CEA may give rise to cerebral hyperperfusion and intracerebral haemorrhage. This work assessed the effect of GA vs. LA on cerebral haemodynamic control after CEA using transcranial Doppler (TCD) techniques, and correlated these changes with serum markers of cerebral injury. Subjects undergoing CEA had perioperative TCD monitoring of middle cerebral artery blood flow velocity (MCAV). Pre- and postoperative (within 48 hours of surgery) testing of cerebral autoregulation [CA] (tilt-testing) and cerebral vasoreactivity to CO2 [CVR] (rebreathing expired air) was conducted. Cerebral haemodynamic parameters and clinical outcome were correlated with changes in jugular venous and peripheral levels of protein S100β and neurone-specific enolase (NSE).The change in CA and CVR was not different between GA (n=16) and LA (n=20). Overall, CA and CVR improved significantly within 48 hours of CEA for patients with preoperative impairment of these parameters, although some patients with normal baseline CA and CVR exhibited postoperative impairment. Increase of MCAV >100% from baseline after restoration of carotid blood flow was observed in patients with impaired CVR, but resolved by the first postoperative day. Transient elevation in jugular venous (but not peripheral) S100β during surgery was seen. Both jugular and peripheral NSE levels dropped during surgery. Neither anaesthetic method nor CA or CVR status had any effect on changes in serum S100β or NSE. Cerebral autoregulatory parameters thus improve rapidly after CEA, but appear unaffected by anaesthetic technique. This supports the concept that cerebral hyperperfusion is dependent on factors in addition to impaired CA or CVR. Changes in serum S100β or NSE do not reflect cerebral haemodynamic changes. However, the variability encountered between patients warrants further investigation. The implications for clinical practice and directions for further research are discussed.

Die vorliegende Arbeit setzt sich mit den funktionellen und strukturellen Veränderungen im Zentralnervensystem im Zusammenhang mit angeborenen Vitien und deren chirurgischer Behandlung mit Hilfe der extrakorporalen Zirkulation (EKZ) sowohl klinisch als auch tierexperimentell auseinander mit dem Ziel, neuroprotektive Strategien zu entwickeln. Wir haben mit den verfügbaren Methoden der Neuroüberwachung die charakteristischen Verläufe definiert und beschrieben. Zusätzlich wurden diese nicht-invasiven Methoden wie die Nahinfrarot-Spektroskopie sowohl klinisch als auch tierexperimentell validisiert. Es konnte jedoch gezeigt werden, dass diese Methoden eine zuverlässig signifikante globale Alteration in der Oxygenation und Perfusion anzeigen. Durch das Erarbeiten und die Charakterisierung des Verlaufs der Serumwerte des astroglialen Proteins S-100B wurde die klinische Wertigkeit genauer definiert. Es konnte klinisch und tierexperimentell gezeigt werden, dass die abnorm erhöhten Werte des S-100B im Serum von einem signifikanten diagnostischen Wert sind. Im Gegensatz dazu wurde die untergeordnete Rolle der Bestimmung von neuronalen Marker im Serum bestätigt. Durch die tierexperimentellen Arbeiten wurde gezeigt, dass die überwiegenden morphologischen Veränderungen nach EKZ im Gehirn in den Astrozyten und Gliazelen zu finden sind. Die neuronale Zelldegeneration war nach dem tiefhypothermen Kreislaufstillstand überwiegend in Form von hypoxischer Zellnekrose. Die apoptotische Zelldegeneration trat zellspezifisch im Gyrus Dentatus des Hippocampus auf. Vor allem konnte die bedeutende protektive Rolle der Hypothermie und der hypothermen Perfusion der EKZ demonstriert werden. Bei einer effektiven systemischen Kühlung an der EKZ könnte ein Kreislaufstillstand ohne signifikante neuronale Schädigungen überstanden werden. Die EKZ und der tiefhypotherme Kreislaufstillstand stellen an sich für das unreife Gehirn eine grobe nicht-physiologische Situation dar. Im Tiermodel könnte histologisch gezeigt werden, das die systemische Vorbehandlung mit Methylprednisolone keine protektive Wirkung hat. Obwohl eine signifikante Neuroprotektion durch Gabe von FK506 und Cyclosporin unter extremen Bedingungen der EKZ und tiefhypothermem Kreislaufstillstand erzielt wurde, bedarf es vor einer klinischen Anwendung weiterer tierexperimenteller und klinischer Überprüfungen. / The aim of our clinical and experimental studies was to evaluate functional and structural changes in the brain during corrective cardiac surgery using cardiopulmonary bypass (CPB) and deep hypothermic circulatory arrest (DHCA) in order to develop neuroprotective strategies. Using the available neurmonitoring methods such as the transcranial Doppler and near infrared spectroscopy (NIRS) characteristic changes in cerebral perfusion and oxygenation were defined and described according to the changes in hemodynamic parameters such perfusion pressure, temperature and flow rate. The diagnostic value of the astrocytic cell protein S100B was evaluated by measurement of the serum concentrations in infants and children with and without neurological complications. Additionally, the normal and abnormal release patterns were evaluated in experimental setting using an animal model of CPB and DHCA. According to the neuropathological assessment of the brain initial morphological changes were found predominantly in the astroglial cells. Systemic hypothermic perfusion on CPB before the induction of circulatory arrest period of 60 minutes was significantly protective. Ischemic neuronal injury in form of cell nekrosis was found in different brain region particularly after the prolongation of circulatory arrest time in deep hypothermia. The apoptotic cell death was found predominantly in the hippocampal region of the dentate gyrus. The routinely prophylactic systemic use steroid during cardiac surgery is not protective against ischemia and has been found to induce apoptosis in the hippocampus. In the same model the systemic pre-treatment with single high dose of Cyclosporin and FK506 decreased significantly the ischemic neuronal cell injury in different brain region. However, before clinical use further studies are necessary to optimise the dose and mode of application.