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Thesis (M.S.)--West Virginia University, 2008. / Title from document title page. Document formatted into pages; contains vi, 94 p. Includes abstract. Includes bibliographical references.

Stuttgart, Univ., Diss., 1999.

Thèse--Liège. / Includes bibliography.

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Experiments were carried out to investigate the extent to which habituation of the flexor reflex depended on mechanisms operating at spinal interneurones. An attempt was made to cause selective degeneration of interneurones in the spinal cord of the rat by subjecting the cord to a period of ischaemia. Ischaemia was produced by temporary occlusion of the thoracic aorta. The flexor withdrawal reflex was tested 3, 7 or 14 days after occlusion. When compared with data from control animals it was found that ischaemia had resulted in both a qualitative change and a quantitative diminution in the amount of habituation which occurred during the presentation of 400 uniform stimuli. It was concluded that this impairment of the habituation process was a consequence of degeneration of interneurones which normally cause progressive inhibition of the excitatory flexor reflex pathway. / Medicine, Faculty of / Cellular and Physiological Sciences, Department of / Graduate

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Measurement studies have linked paraspinal muscle reflexes to low back pain. However, the role of reflexes in stabilizing the spine is not clear. Previous studies enlisted biomechanical models to aid in understanding of how intrinsic stiffness stabilizes the spine. This work expands these previous studies by modeling the neuromuscular dynamic control of the spine. The presence of delay in the reflexive system limits the availability of traditional stability analyses. However it is possible to investigate how reflex delay affects stability of the spine model using methods in linear time delayed stability. Such analyses find the maximum reflex delay, i.e., the delay margin for which stability is possible. Therefore a biomechanical model of the spine was developed that used these methods for stability. The model was able to demonstrate how reflex gains and delays affect stability. It was shown that increased proportional reflex gain reduced the amount of co-contraction required for stability. However, increased reflex gain required a reduced delay margin of the system. Differential reflex gain had no effect on the amount of co-contraction required for stability. However, it was shown to increase the delay margin for small gains. As the differential reflex gain approached the magnitude of intrinsic muscle damping the trend was reversed, and increased gain caused the delay margin to approach zero. Increased intrinsic muscle damping did not affect the minimum co-contraction required for stability, but was shown to increase the delay margin in all cases. This study provided a theoretical explanation for the role of reflexes in stabilizing the spine. Results agree with the trends in the published literature regarding patients with low-back pain. Specifically, these patients demonstrate abnormally larger reflex delay. To maintain stability, atypically small reflex gain is necessary. Compensatory co-contraction is required to offset the small reflex gain. Co-contraction and instability is observed in low back pain patients. The results presented here agree with measurement studies, and should aid in the development of hypotheses for future measurement studies. / Master of Science

Einleitung: Für die Messung der "Narkosetiefe" werden vorwiegend Parameter des Elektroenzephalogramms (EEG) untersucht, welche offenbar keine Aussage zur Unterdrückung von Bewegungen auf Schmerzreize treffen können. Dies ist auch wenig verwunderlich, da Untersuchungen an Tieren die Ausschaltung einer Bewegung auf Schmerzreiz durch Anästhetika auf der spinalen Ebene erwarten lassen. Der spinale H-Reflex, ein elektrisch ausgelöster, monosynaptischer Reflex, wurde bereits zur Überwachung der Unterdrückung von Bewegungen während der Narkose vorgeschlagen. Diese Arbeit diente der vergleichenden Untersuchung der H-Reflex-Amplitude mit EEG-Parametern unter Sevofluran-Narkosen. Es wurden Konzentrations-Wirkungs-Kurven ermittelt, sowie die Eignung als Parameter zur Vorhersage von Bewegungen auf schmerzhafte Reize überprüft. Weiterhin sollte der Effekt des schmerzhaften Reizes auf die H-Reflex-Amplitude selbst aufgeklärt werden. Methodik: Nach Zustimmung der Ethikkommission und schriftlicher Einwilligung wurden 28 Patientinnen in die Studie eingeschlossen. Sie wurden präoperativ untersucht. Nach anfänglicher Vertiefung bis zur Toleranz einer Larynxmaske, wurde die Narkose mit Hilfe der "up-and-down"-Methode auf einen Wert nahe der minimalen alveolären Konzentration (MAC) eingestellt. Nach mindestens 15 Minuten konstanter Konzentration wurde von einem "steady-state" ausgegangen und am volaren Unterarm ein elektrisch ausgelöster Schmerzreiz (Tetanus-Reiz, 60 mA) appliziert. Für die Ermittlung der Konzentrations-Wirkungs-Kurve diente ein pharmakokinetisch-pharmadynamisches Modell, welches auf einem sigmoidalen Emax-Modell beruht. Die Eignung eine Bewegung vorherzusagen wurde anhand der "Prediction Probability" (PK-Wert) überprüft. Ergebnisse: Bei 14 Patientinnen konnte der H-Reflex kontinuierlich über die gesamte Messperiode ausgelöst werden. Die Wachwerte betrugen für die H-Reflex-Amplituden 6,5 (+/- 4,1 SD) mV. Sevofluran unterdrückt die H-Reflex-Amplituden konzentrationsabhängig. Die Unterdrückung konnte gut durch das sigmoidale Modell dargestellt werden (Median - r^2 = 0,96). Die Unterdrückung der H-Reflex-Amplitude unterliegt einer signifikant steileren Konzentrations-Wirkungs-Beziehung als die der EEG-Parameter spektrale Eckfrequenz 95 (SEF95) und bispektraler Index (BIS). Die H-Reflex-Amplitude konnte Bewegungen auf einen Schmerzreiz mit einer PK von 0,74 vorhersagen, während mittels der EEG-Parameter SEF95 und BIS lediglich zufällige Aussagen bezüglich stattfindender Bewegungen getroffen werden können. Der Schmerzreiz veränderte die H-Reflex-Amplitude, das spontane frontale Elektromyogramm und die Herzfrequenz, nicht jedoch die kortikal abgeleiteten Parameter BIS und SEF95. Schlussfolgerung: Aus dieser Arbeit ergeben sich Hinweise, dass die Unterdrückung von Bewegungen auf schmerzhafte Reize und die Unterdrückung der H-Reflex-Amplitude durch Sevofluran eng verknüpft sind. Auch wenn kein kausaler Zusammenhang besteht, so würde dies die hohe Vorhersagekraft der H-Reflex-Amplituden für Bewegungen auf Schmerzreiz erklären. Sie ist zur Überwachung der Unterdrückung von groben gezielten Bewegungen während einer Narkose geeignet. Mittels H-Reflex-Amplituden können Aktivierungen des Rückenmarkes registriert werden, welche auf kortikaler Ebene nicht sichtbar werden. Zukünftige auf dem H-Reflex basierende Studien können weitere Einsichten in die Mechanismen der Anästhesie liefern und behilflich an der Erarbeitung von Richtlinien zur optimalen Medikamentendosierung sein. / Introduction: The measurement of "depth of anesthesia" is mostly done by parameters of the electroencephalogram (EEG), which can not make a statement about the suppression of movement due to painful stimulation. This is not surprising, looking at recent animal studies that assume the anesthetic induced unresponsiveness to noxious stimulation at the side of the spinal cord. The spinal H-reflex, an electric induced, monosynaptical reflex has been proposed to monitor the suppression of movements during anesthesia. This dissertation shows a comparative examination of the H-reflex-amplitude and parameters of the EEG under anesthesia with sevoflurane. Concentration-response functions have been determined, the prediction of movement to painful stimulation has been tested. Also the effect of the painful stimulus itself on the H-reflex-amplitude has been discovered. Methods: After approval of the institutional review board and informed consent were obtained, 28 patients were included into this study. The examination has been done prior to surgery. After induction of anesthesia until a laryngeal mask was tolerated, sevoflurane was decreased to a level close to minimum alveolar concentration (MAC) using the "up-and-down" method. After at least 15 minutes of constant sevoflurane concentration a "steady-state" was assumed and a painful electrical stimulation (tetanic stimulus of 60mA) was applied. The concentration-response functions were determined using pharmacokinetic and pharmacodynamic modeling, based on a sigmoid Emax model. To estimate and compare the predictive value of the parameters, prediction probability Pk was calculated. Results: On 14 patients the H-reflex could been measured continuously throughout the study period. At awake level, H-reflexes had a mean amplitude of 6,5 (+/- 4,1 SD) mV. Sevoflurane depresses the H-reflex-amplitude in a concentration dependent way, which was well modeled by the sigmoid Emax model (median r^2 = 0,96). The depression of the H-reflex-amplitude underlies a significant steeper concentration-response function as the EEG-parameters spectral edge frequency (SEF95) and bispectral index (BIS). H-reflex-amplitude could predict movement on to painful stimulation with a Pk value of 0,74, whereas EEG-parameters could only make statements, concering upcoming movements, by chance. The painful stimulation changed H-reflex-amplitude, frontal recorded electromyogram and heart-frequency but not the cortical recorded parameters BIS and SEF95. Conclusions: Results indicate that the suppression of movement and the suppression of the H-reflex-amplitude caused by sevoflurane are close connected. Although it does not imply a causual connection, it would explain the high predictive value of the H-reflex-amplitude for motor responses to noxious stimuli. H-reflex-amplitude can be used to monitor the suppression of gross purposeful movements during sevoflurane anesthesia. Using H-reflex-amplitude spinal activation can be registered, which are not seen on cortical level. Coming up studies based on the H-reflex can help to get more insights into the mechanisms of anesthesia and help to develop guidelines for optimal drug dosing.

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