The feature of brain oxygenation in the sleep cycle of healthy newborn babies

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Noninvasive monitoring brain oxygenation with near-infrared spectroscopy (NIRS) is becoming a widely used in neonatology for determine the optimal target oxygen saturation during resuscitation of newborns, but it’s use in clinical practice for diagnostics and prognosis perinatal pathology is limited because intra and especially interpatient variability are too large for this aim. This study aimed to determine cerebral oximetry values during the sleep cycle and wakefulness in healthy full term newborns. 38 newborns (gestational age 38 weeks were included in this study (22 after normal birth – I group and 16 after cesarean section). Near-infrared spectroscopy (CrSO2) from left fronto-parietal region was recorded in synchrony with polysomnography. Continuous cerebral CrSO2 were measured using near-infrared spectroscopy (Somanetic INVOS 5100C, USA). Fraction tissue oxygen extraction (FTOE) was calculated using SaO2 (pulse oximeter Radical “Masimo”) and CrSO2 (FTOE = (SаO2 – CrSO2)/SаO2). CrSO2 and SаO2 were analyzed during 15 minutes polysomnography-defined quiet, active sleep and wakefulness (defined according to standard guidelines). The results: cerebral oxygen saturation varies with sleep-wake states: during active sleep (74,18 ± 0,75%) was similar to the value in wakefulness (75,6 ± 1,0%) and smaller than in quiet sleep (81,93 ± 1,74%, р < 0,001), but FTOE during active sleep was significantly higher (0,221 ± 0,008% and 0,129 ± 0,005%, p < 0,001). There were no differences of rates between groups. The high oxygen consumption during REM sleep supports its role during postnatal brain functional development. The use of NIRS taking into account sleep structure will be new method for diagnostic and prognosis perinatal pathology CNS.

About the authors

Inna I. Evsyukova

Research Institute of Obstetrics, Gynecology, and Reproductology named after D.O. Ott

Author for correspondence.
Email: eevs@yandex.ru

MD, PhD, Dr Med Sci, Professor, Chief Scientific Worker of the Department of Physiology and Pathology of Newborns

Russian Federation, Saint Petersburg

Natalia A. Zvereva

Research Institute of Obstetrics, Gynecology, and Reproductology named after D.O. Ott

Email: tata-83@bk.ru

Post-graduate Student of the Department of Physiology and Pathology of Newborns

Russian Federation, Saint Petersburg

Natalia G. Gurieva

Research Institute of Obstetrics, Gynecology, and Reproductology named after D.O. Ott

Email: angneuro@yandex.ru

Post-graduate Student of the Department of Physiology and Pathology of Newborns

Russian Federation, Saint Petersburg

Tatiana A. Velichko

Research Institute of Obstetrics, Gynecology, and Reproductology named after D.O. Ott

Email: tatianaalvel959@gmail.com

Physician of the Department of Physiology and Pathology of Newborns

Russian Federation, Saint Petersburg

References

  1. Евсюкова И.И. Формирование механизмов регуляции ритма сердечной деятельности и дыхания в цикле сна у новорожденных при различных условиях внутриутробного развития: Дис. … д-ра мед. наук. Л., 1983. [Evsyukova II. Formirovanie mechanizmov regulyacii ritma serdeshnoi deyatelnosti i dychaniya v cikle sna u novorozhdennych pri razlizhnych usloviyach vnutriutrobnogo razvitiya. [dissertation] Leningrad; 1983. (In Russ)].
  2. Евсюкова И.И. Церебральная оксиметрия в неонатологии // Педиатр. 2017. – Т. 8. – № 4. – С. 86–91. [Evsyukova II. Cerebral oximetry in neonatology. Pediatr. 2017;8(4):86-91. (In Russ.)]. https://doi.org/10.17816/PED8486-91.
  3. Симонова А.В. Клинико-диагностическое значение транскраниальной церебральной оксиметрии в оптимизации параметров искусственной вентиляции лёгких у новорожденных с дыхательными расстройствами: Автореф. дис. … канд. мед. наук. – Ростов н/Д, 2016. [Simonova AV. Kliniko-diagnostisheskoe znachenie transkranialnoi cerebralnoi oximetrii v optimatizacii parametrov iskusstvennoi ventilacii legkix u novorozhdennix s dychatelnymi rasstroistvami. [dissertation] Rostov-na-Donu; 2016. (in Russ.)].
  4. Шевченко О.Т. Состояние мозгового кровообращения в цикле сна у здоровых и перенесших гипоксию новорожденных детей: Автореф. дис. … канд. мед. наук. Л., 1986. [Shevchenko OT. Sostoyanie mozgovogo krovoobrasheniya v cycle sna u zdorovych i pereneschich gipoksiyu novorozhdennych detei. [dissertation] Leningrad; 1986. (in Russ.)].
  5. Эстрин В.В., Симонова А.В., Каушанская Е.Я. Транскраниальная церебральная оксиметрия у здоровых новорожденных // Российский вестник перинатологии и педиатрии. – 2011. – Т. 5. – № 3. – С. 29–32. [Estrin VV, Simonova AV, Kaushanskaya EYa. Transcranial cerebral oximetry in healthy newborn infants. Rossijskiy vestnik perinatologii I pediatrii. 2011;5(3):29-32. (In Russ)].
  6. Biallas M, Trajkovic I, Hagmann C, et al. Multimodal recording of brain activity in term newborns during photic stimulation by near-infrared spectroscopy and electroencephalography. J Biomed Opt. 2012;17(8):086011-086011. doi: 10.1117/1.JBO.17.8.086011
  7. Dani C, Martelli E, Bertini G, et al. Haemodynamic changes in the brain after vaginal delivery and caesarean section in healthy term infants. Br. J Obstet. Gynaecol. 2002;109(2):202-6. PMID: 11888103
  8. Dereymaeker A, Pillay K, Vervisch J, et al. Review of sleep-EEG in preterm and term neonates. Early Hum Dev. 2017;113:87-103. doi: 10.1016/j.earlhumdev.2017. 07.003.
  9. Elser HE, Holditch-Davis D, Brandon DH. Cerebral Oxygenation Monitoring: A Strategy to Detect IVH and PVL. Newborn Infant Nurs Rev. 2011;11(3):153-159. doi: 10.1053/j.nainr.2011.07.007.
  10. Goeral K, Urlesberger B, Giordano V, et al. Prediction of Outcome in Neonates with Hypoxic-Ischemic Encephalopathy II: Role of Amplitude-Integrated Electroencephalography and Cerebral Oxygen Saturation Measured by Near-Infrared Spectroscopy. Neonatology. 2017;112(3):193-202. doi: 10.1159/000468976.
  11. Goff DA, Buckley EM, Durduran T, et al. Noninvasive cerebral perfusion imaging in high-risk neonates. Semin Perinatol. 2010;34(1):46-56. doi: 10.1053/j.semperi.2009.10.005.
  12. Greisen G. Autoregulation of cerebral blood flow in newborn babies. Early Hum Dev. 2005;81(5):423-428. doi: 10.1016/j.earlhumdev.2005.03.005.
  13. Grometto A, Pizzo B, Strozzi MC, et al. Cerebral NIRS patterns in late preterm and very preterm infants becoming late preterm. J Matern Fetal Neonatal Med. 2019;32(7):1124-1129. doi: 10.1080/14767058.2017.1401605
  14. Gumulak R, Lucanova LC, Zibolen M. Use of near-infrared spectroscopy (NIRS) in cerebral tissue oxygenation monitoring in neonates. Biomed Pap Med Fac Univ Palacky Olomouc Czech Repub. 2017;161(2):128-133. doi: 10.5507/bp.2017.012.
  15. Jenni OG, Borbely AA, Achermann P. Development of the nocturnal sleep electroencephalogram in human infants. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 2004;286(3): R528-538. doi: 10.1152/ajpregu.00503.2003.
  16. Kozberg M, Hillman E. Neurovascular coupling and energy metabolism in the developing brain. Prog Brain Res. 2016;225:213-242. doi: 10.1016/bs.pbr.2016.02.002.
  17. Kratky E, Pichler G, Rehak T, et al. Regional cerebral oxygen saturation in newborn infants in the first 15 min of life after vaginal delivery. Physiol Meas. 2012;33(1): 95-102. doi: 10.1088/0967-3334/33/1/95.
  18. Liu P, Chalak LF, Lu H. Non-invasive assessment of neonatal brain oxygen metabolism: A review of newly available techniques. Early Hum Dev. 2014;90(10):695-701. doi: 10.1016/j.earlhumdev.2014.06.009.
  19. Madsen PL, Vorstrup S. Cerebral blood flow and metabolism during sleep. Cerebrovasc Brain Metab Rev. 1991;3(4):281-96. PMID: 1772738.
  20. Matterberger C, Baik-Schneditz N, Schwaberger B, et al. Blood Glucose and Cerebral Tissue Oxygenation Immediately after Birth-An Observational Study. J Pediatr. 2018;200:19-23. doi: 10.1016/j.jpeds.2018.05.008.
  21. Mirmiran M. The function of fetal/neonatal rapid eye movement sleep. Behavioural Brain Research. 1995;69(1-2): 13-22. doi: 10.1016/0166-4328(95)00019-p.
  22. Miyauchi S, Misaki M, Kan S, et al. Human brain activity time-locked to rapid eye movements during REM sleep. Exp Brain Res. 2009;192(4):657-667. doi: 10.1007/s00221-008-1579-2.
  23. Näsi T, Virtanen J, Noponen T, et al. Spontaneous hemodynamic oscillations during human sleep and sleep stage transitions characterized with near-infrared spectroscopy. PLoS One. 2011;6(10):e25415. doi: 10.1371/journal.pone.0025415.
  24. Pellicer A, Bravo Mdel C. Near-infrared spectroscopy: a methodology-focused review. Semin Fetal Neonatal Med. 2011;16(1):42-49. doi: 10.1016/j.siny.2010.05.003.
  25. Peng S, Boudes E, Tan X, et al. Does near-infrared spectroscopy identify asphyxiated newborns at risk of developing brain injury during hypothermia treatment? Am J Perinatol. 2015;32(6):555-564. doi: 10.1055/s-0034-1396692.
  26. Pichler G, Binder C, Avian A, et al. Reference ranges for regional cerebral tissue oxygen saturation and fractional oxygen extraction in neonates during immediate transition after birth. J Pediatr. 2013;163(6): 1558-1563. doi: 10.1016/j.jpeds.2013.07.007.
  27. Scher MS. Ontogeny of EEG-sleep from neonatal through infancy periods. Sleep Med. 2008;9(6): 615-636. doi: 10.1016/j.sleep.2007.08.014.
  28. Silvani A, Asti V, Berteotti C, et al. Sleep-dependent changes in cerebral oxygen consumption in newborn lambs. J Sleep Res. 2006;15(2):206-211. doi: 10.1111/j.1365-2869.2006.00521.x
  29. Sood BG, McLaughlin K, Cortez J. Near-infrared spectroscopy: applications in neonates. Semin Fetal Neonatal Med. 2015;20(3):164-172. doi: 10.1016/j.siny.2015.03.008.
  30. Tina LG, Frigiola A, Abella R, et al. Near Infrared Spectroscopy in healthy preterm and term newborns: correlation with gestational age and standard monitoring parameters. Curr Neurovasc Res. 2009;6(3):148-154. doi: 10.2174/156720209788970090. PMID : 19534722.
  31. Tina LG, Frigiola A, Abella R, et al. S100B protein and near infrared spectroscopy in preterm and term newborns. Front Biosci (Elite Ed). 2010;2:159-164. doi: 10.2741/e78. PMID: 20036866.
  32. Urlesberger B, Kratky E, Rehak T, et al. Regional oxygen saturation of the brain during birth transition of term infants: comparison between elective cesarean and vaginal deliveries. J Pediatr. 2011;159(3):404-408. doi: 10.1016/j.jpeds.2011.02.030.
  33. Verma PK, Panerai RB, Rennie JM, Evans DH. Grading of cerebral autoregulation in preterm and term neonates. Pediatric Neurology. 2000;23(3):236-242. doi: 10.1016/s0887-8994(00)00184-3.
  34. Watanabe T, Ito M, Miyake F, et al. Measurement of brain tissue oxygen saturation in term infants using a new portable near-infrared spectroscopy device. Pediatr Int. 2017;59(2):167-170. doi: 10.1111/ped.13099.
  35. Weindling AM. Peripheral oxygenation and management in the perinatal period. Semin Fetal Neonatal Med. 2010;15(4):208-215. doi: 10.1016/j.siny.2010.03.005.
  36. Wijbenga RG, Lemmers PMA, van Bel F. Cerebral Oxygenation During the First Days of Life in Preterm and Term Neonates: Differences Between Different Brain Regions. Pediatric Research. 2011;70(4):389-394. doi: 10.1203/PDR.0b013e31822a36db.
  37. Wolf M, Greisen G. Advances in Near-Infrared Spectroscopy to Study the Brain of the Preterm and Term Neonate. Clinics in Perinatology. 2009;36(4):807-834. doi: 10.1016/j.clp.2009.07.007.
  38. Zhou CL, Li YF, Zhang JJ, et al. Measurement of brain regional oxygen saturation in neonates in China: a multicenter randomized clinical trial. Zhonghua Er Ke Za Zhi. 2009; 47(7):517-22. PMID: 19951514.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2020 Evsyukova I.I., Zvereva N.A., Gurieva N.G., Velichko T.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
 


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».