Effects of fentanyl on the cortical activity of neonates

Abstract

Background

Fentanyl is a widely used analgesic in neonatal intensive care, but its full effects on cortical activity have been left largely uninvestigated. The target of this thesis was to use statistical analysis of computational electroencephalography (EEG) features to identify any short-term effects of fentanyl on the brain state of neonates.

Methods

EEG recordings from 15 neonate subjects treated with fentanyl (0.5-2 mug/kg) were examined in a single-arm trial, using a set of 9 different analytic features measuring power, spectral density, nestedness, synchrony in transients and power between brain areas, fractal dimensions, and continuity of the signal. Changes in these features within the first 10min post-drug period were evaluated for significance using visual inspection of time trends, Wilcoxon signed-rank testing, and testing for correlation (Spearman's rho) between individual baselines and changes in feature values.

Results

Testing for correlation between individual baselines and feature changes revealed significant (p < 0.05$) and negative correlation (rho < -0.5) in peak-to-peak amplitudes and general power levels over all measured frequency ranges (1-30 Hz) in the right hemisphere and parietal areas. We also observed declining of power coupling in all brain areas. These effects started from 3-4min after fentanyl administration and lasted for the duration of the experiment. Transient nestedness of 3-8 Hz frequencies showed lessening in the right hemisphere immediately after administration, lasting for the duration of the experiment. Other features measured showed no significant changes in correlation values. Time trend inspection and Wilcoxon signed-rank testing displayed no discernible effects.

Conclusions

Fentanyl causes general lessening of the EEG signal in neonates shortly after administration in multiple brain areas, and weakens overall power correlation. We found the usage of individualistic and statistical baseline assignment and baseline-to-change correlation testing to be crucial for determining of these effects. This might be due to the method's tolerance towards non-linear effects on non-negative features and missing data.

Taustatietoa

Fentanyylin kokonaisvaltaisia vaikutuksia aivotoiminnan eri tasoihin ei ole kartoitettu, vaikka fentanyylia käytetään jatkuvasti kipulääkkeenä mm. vastasyntyneiden teho-osastolla. Tämän työn tarkoituksena on selvittää, miten fentanyylin vaikutukset ovat laskennallisesti havaittavissa vastasyntyneiden aivosähkökäyrästä (EEG).

Tutkimusmenetelmät

15:n poikkileikkaustutkimuksessa fentanyylilla hoidetun vastasyntyneen (0.5-2 mug/kg) aivosähkökäyrästä laskettiin yhdeksän ominaista arvoa, joiden avulla mitattiin amplitudia, taajuustiheyttä, signaalin pesiytyvyyttä, lyhytaikaisten ilmiöiden samanaikaisuutta, taajuusvoimakorrelaatiota aivoalueiden välillä sekä signaalin fraktaaliulottuvuuksia ja jatkuvuutta. Näiden arvojen muutoksien tilastollista merkityksellisyyttä mitattiin ensimmäisen 10:n minuutin aikana fentanyylilla lääkitsemisestä. Näissä mittauksissa käytettiin datan visuaalista arviointia sekä Wilcoxonin merkittyjen sijalukujen testiä ja Spearmanin korrelaatiokerrointa yksilöllisten pohja-arvojen ja arvomuutoksen välillä.

Tulokset

Pohja- ja muutosarvojen välillä havaittiin merkitsevää (p < 0.05) ja negatiivista (rho < -0.5) korrelaatiota niin huipusta-huippuun amplitudissa kuin voiman spektritiheydessä kaikilla mitatuilla kaistataajuuksilla (1-30 Hz) oikeassa aivopuoliskossa sekä päälaenlohkossa. Kaikilla aivoalueilla havaittiin myös keskinäisen taajuusvoimakorrelaation vähenemistä. Vaikutukset alkoivat n. 3-4min lääkityksen alkamisen jälkeen, ja kestivät kokeen loppuun saakka. Lyhytaikaisten aaltojen pesiytyvyydessä havaittiin alenemista 3-8 Hz:n taajuuksilla oikeassa aivopuoliskossa heti lääkityksen alettua, mikä jatkui kokeen loppuun saakka. Muissa karvoissa ei havaittu merkitsevää korrelaatiota. Datan visuaalinen tarkistelu eikä Wilcoxonin merkittyjen sijalukujen testikään tuottanut merkitseviä tuloksia.

Johtopäätökset

Fentanyyli aiheuttaa vastasyntyneissa yleistä EEG-signaalin vähenemistä useilla aivoalueilla, vähentäen myös yleistä voimataajuuskorrelaatiota. Tutkimuksemme mukaan yksilöllisten sekä tilastollisesti määrättyjen pohja-arvojen käyttö parantaa vertailutestien voimaa. Tämä saattaa johtua hyödyllisyydestä puuttuvien arvojen sivuuttamisessa ja epä-lineaaristen vaikutusten löytämisessä.