11 Spoorconcentraties lachgas en actieve en passieve verwerking van stimuli 1 in: J. Snel & H.C. Schuyt (eds.) Lachgas, van Gorcum uitgevers, Assen M. Elton, A.C. Monster, B. Kreukels, V. Kallen, H.C. Schuyt en J. Snel Inleiding Mensen die met lachgas (distikstofoxide) in aanraking komen, berichten in de wandelgangen over subjectieve klachten, waaronder oververmoeidheid en verlies van concentratie. Toch, onderzoek naar de effecten van blootstelling aan spoor- en subanesthetische concentraties van dit gas op de prestaties op psychomotorische taken, levert geen duidelijk beeld op. Dit heeft mogelijk te maken met de gevoeligheid van de taken en met de mogelijkheid dat proefpersonen door meer inzet voor de effecten van blootstelling hebben kunnen compenseren. Snel en Elton (hoofdstuk 10) hebben de onderzoeksresultaten op dit terrein zowel vanuit veldonderzoek als vanuit laboratoriumonderzoek opnieuw onder de loep genomen. Een conclusie was dat de gebruikte taken mogelijk ook centrale verwerkingsprocessen aanspraken. Dat wil zeggen taken: waarbij mensen door extra inzet hun prestaties op peil kunnen houden. Voorbeelden van centrale processen zijn de mentale koppeling van een response aan een bepaalde stimulus, zoals de beslissing te reageren op een rood licht door op een knop te drukken, of taken die het geheugen aanspreken. Onbeantwoord blijft de vraag of de eerdere stappen in het informatieverwerkingsproces, bijvoorbeeld 1 Dit onderzoeksproject is mede mogelijk gemaakt door financiële ondersteuning van de Nederlandse Vereniging voor Anesthesiemedewerkers en door computer-ondersteuning van de Technische Dienst van de Faculteit der Psychologie van de Universiteit van Amsterdam.
130 M. Elton en anderen waarneming, worden beïnvloed door blootstelling aan spoorconcentraties van lachgas. Een psychologische benadering om dit informatieverwerkingsproces in kaart te brengen is het cognitief-energetisch -model van Sanders (1983), het zogenaamde Sanders -model. Een belangrijk onderdeel van dit model is dat informatieverwerking in stadia of fasen plaatsvindt. In elk stadium wordt een bepaald onderliggend proces afgerond, bijvoorbeeld stimulus encodering of response keuze. De ketting van stadia reflecteert het gehele beslissingsproces van waarneming van een stimulus of stimuluseigenschap tot en met het uitvoeren van een response, inclusief mogelijke pogingen om een foutieve response te corrigeren. Dit model veronderstelt ook dat voordat een bepaalde stadium kan beginnen, de verwerking van de voorafgaande stadia is beëindigd (van der Molen et al., 1991). Met behulp van het aanbrengen van elektroden op bepaalde plekken van de schedel is het mogelijk deze hele kleine elektrische stromen van hersenactiviteit vast te leggen. Door vele malen een stimulus aan te bieden en tegelijkertijd de hersenactiviteit te registreren, is het mogelijk de hersenresponse op de stimulus te middelen. Deze zogenaamde opgeroepen potentiaal geeft het verloop van de verwerking van de stimulus door het centraal zenuwstelsel in de tijd weer. Potentialen worden beschreven in termen van hun polariteit: positief (P) of negatief (N) en hun tijdsverloop. Bijvoorbeeld, de N1 is de eerste negatieve golf en verschijnt bij een geluidsprikkel na ongeveer 100 milliseconden (ms), dit is de latentie. De P300 is een positieve golf met een latentie van 300 ms: deze wordt ook wel aangeduid als de P3. Uit onderzoek binnen onze Faculteit is gebleken dat opgeroepen potentialen zeer gevoelig zijn voor bepaalde stoffen, bijvoorbeeld voor cafeïne (Lorist, 1995). Wat betreft lachgas bleek uit ander onderzoek dat een subanesthetische concentratie negatieve effecten had op de N1 bij een passieve taak waarin proefpersonen géén reactie op de stimuli mochten geven (Houston et al., 1988) en op de P3 waarbij wél een reactie moest worden gemaakt (Fowler en Adams, 1993). Het bleek dat de amplitude was verlaagd als een aanduiding van lagere intensiteit van het verwerkingsproces en waarbij de latenties waren verlengd, wat aangeeft dat er meer tijd nodig was om de stimulus te enco-
Passieve en actieve verwerking van stimuli 131 deren en te evalueren. Deze effecten zijn al bij concentraties van 10 procent lachgas gevonden (zie Snel en Elton, hoofdstuk 10). Onderzoek In deze bijdrage doen wij verslag van actueel onderzoek naar de effecten van blootstelling aan spoorconcentraties lachgas op zowel een passieve taak (waar proefpersonen niet mogen reageren) als een actieve taak (waar proefpersonen moeten reageren). Tijdens het uitvoeren van de taken worden opgeroepen potentialen geregistreerd. Eerst vond een baseline of nul-meting zonder lachgas plaats (run 1), daarna werden de proefpersonen in een klimaatkamer aan 2.000 ppm lachgas gedurende twee minuten blootgesteld (run 2) en vervolgens aan 80 ppm tgg gedurende twee uur (run 3 na 1 uur; run 4 na 2 uur). De proefpersonen, tien psychologiestudenten, ondergingen twee sessies: één met lachgas en één met gewone lucht. Het toedienen van lachgas of lucht gebeurde steeds op identieke wijze onder toezicht van personeel van het Coronel Instituut in het Academisch Medisch Centrum. Dit personeel bewaarde tevens de sleutel over de sessie waar-in de proefpersonen aan lachgas of lucht waren blootgesteld. In veel onderzoek naar effecten van lachgas is gebruik gemaakt van personen die door hun beroep in aanraking zijn geweest of konden zijn geweest met dit gas. In deze studie is met opzet gebruik gemaakt van zogenaamde naïeve proefpersonen. Naïef, omdat de tien psychologiestudenten geen blootstellingsgeschiedenis van lachgas hadden. De studie is dubbel-blind uitgevoerd, dat wil zeggen dat noch de onderzoeker, noch de proefpersonen wisten of er lachgas of lucht werd toegediend, pas na afloop van beide sessies werden onderzoeker en proefpersoon geïnformeerd. Er waren twee taken: Passieve auditieve taak Terwijl proefpersonen lazen, werden korte tonen via een koptelefoon aangeboden. In tien percent van het totale aantal stimuli werd een toon aangeboden die in frequentie veel van de standaardprikkel (= 1.000 Hz) afweek (grote deviant = 2.000 Hz) en in tien procent van de stimuli was er een kleine afwijking (de kleine deviant = 1.200 Hz). Uit eerder onderzoek is gebleken dat ook als proefpersonen lezen, dus passief luisteren, het centraal zenuwstelsel op de afwijkende stimuli méér reageert naarmate de afwijkende prikkels van de standaard verschillen.
132 M. Elton en anderen Deze gevoeligheid van het auditieve systeem om afwijkende stimuli te detecteren, kan zichtbaar gemaakt worden door de opgeroepen potentialen van de standaardstimulus van de potentialen af te trekken die bij tonen met de grote of de kleine afwijking horen. De op deze manier afgeleide verschilpotentiaal heet mismatch negativiteit, Dit is de nettonegativiteit die ontstaat door de afwijking van de gebruikelijke standaardprikkel. Actieve visuele taak In de actieve visuele taak moesten proefpersonen reageren met een druk op een knop zodra het cijfer 0 op een computerscherm verscheen. Dit cijfer werd willekeurig aangeboden in een reeks van de cijfers van 0 tot en met 9. De taak was moeilijker gemaakt door de cijfers onduidelijk te maken (te degraderen) door deze deels te maskeren. Het is bekend dat, naarmate een stimulus belangrijker is, de P3 component in amplitude toeneemt. Belangrijke stimuli, zogenaamde targets, worden beschouwd als die prikkels waarop een proefpersoon volgens instructie moet reageren. Statistische analyse Met behulp van een multivariate statistische methode is de afzonderlijke bijdrage van sessie (wel of geen lachgas aanwezig), volgorde van de vier momenten per sessie ( run ) en de elektrodeplek op de schedel ( positie ) geanalyseerd, zowel voor de effecten op de amplitude van de opgeroepen potentialen als voor de effecten op de latentie in de passieve en de actieve taak. Alléén de statistisch significante resultaten die betrekking hebben op de effecten van blootstelling aan lachgas worden hier beschreven. Resultaten Tijdens het lezen in de passieve conditie bleken, zoals verwacht, de afwijkende tonen de mismatch negativiteit (MMN) op te roepen. De grootte van de MMN-amplitude varieerde tussen de twee sessies, afhankelijk van de plaats op de schedel waar de elektrode was geplaatst, en tevens afhankelijk van de runvolgorde. Figuur 11.1 laat zien dat het verloop in de veranderingen van de N1-amplitude, als gevolg van
Passieve en actieve verwerking van stimuli 133 blootstelling aan lachgas, significant verschilt tussen de frontale positie op de schedel en de centrale positie op de kruin van de schedel (p 0.05). frontaal centraal 5.5 5.5 4.5 4.5 3.5 3.5 run 1 2 3 4 met gas run 1 2 3 4 zonder gas Figuur 11.1: Het verloop van de N1 amplitude in de passieve taak, gemiddeld over de drie aangeboden stimuli: standaard tonen (1.000 Hz), kleine devianten (1.200 Hz tonen) en grote devianten (2.000 Hz) over de 4 runs (1 = baseline, 2 = na piekbelasting van 2.000 ppm gedurende 2 minuten, 3 = na één uur blootstelling aan 80 ppm, 4 = na twee uur blootstelling aan 80 ppm). Met name voor de frontale elektrode is het verloop tussen de twee sessies duidelijk. In de sessie zonder gas is er sprake van een toename in amplitude vanaf de baselinemeting (run 1) tot na één uur blootstelling (run 3). Pas daarna treedt een daling op. In tegenstelling hiermee blijkt dat in de sessie mét gas er sprake is van een grotere N1-amplitude bij de piekblootstelling (run 2), waarna de amplitude vervolgens afneemt. Dus, alhoewel op de frontale positie in beide sessies de N1-amplitude over twee uur gezien afneemt, is deze afname sterker als de proefpersoon aan lachgas is blootgesteld. Op de vraag waarom de N1-amplitude toenam na piekbelasting wordt later teruggekomen. Alhoewel de verschillen tussen de drie typen stimuli (Figuur 11.2) alleen op een trend wijst, is een grotere toename in amplitude bij de grotere deviant duidelijk. Deze toename is nog wat groter in de sessie waarin de proefpersonen aan lachgas waren blootgesteld. Er werd geen enkel effect van lachgas gevonden op de pieklatentie van de N1 en evenmin op de MMN.
134 M. Elton en anderen 9 8 7 6 5 4 st met gas kd gd zonder gas Figuur 11.2: De N1-amplitude op de drie tonen in de passieve taak (st = standaard toon; kd = kleine deviant (de weinig afwijkende toon); gd = grote deviant. De resultaten van de actieve taak waarin de proefpersonen het cijfer 0 moesten detecteren en vervolgens op een knop moesten drukken, leverden een ander beeld op. Met betrekking tot de kwaliteit van de taakuitvoering is géén effect van lachgas gevonden op de reactiesnelheid; noch op het aantal 0 detecties, noch op het aantal onjuiste responsen (het aantal keren dat de proefpersoon bij een verkeerd cijfer op de knop drukte). In tegenstelling tot deze gedragsgegevens bleken uit de analyse van de opgeroepen potentialen tijdens deze taak wel effecten van lachgas op te treden. Naast de verwachte effecten op de P3-amplitude bij de target (het gedegradeerde cijfer 0 ) wijst het verloop van deze component op een verschil tussen de twee blootstellingscondities (Figuur 11.3). Het verloop van de potentiaal over de runs, meer achter op de schedel (pariëtaal) laat zien dat de amplitude in de conditie met lachgas na twee uur wegzakt, maar dat deze zonder blootstelling aan lachgas gehandhaafd blijft. Wat betreft de amplitude van de P3, afgeleid van de elektrode, centraal op de schedel, valt op dat mét lachgas de P3 oploopt naarmate de blootstelling langer duurt, terwijl deze in de conditie zónder lachgas juist afneemt.
Passieve en actieve verwerking van stimuli 135 12.0 pariëtaal 12.0 centraal 11.0 11.0 10.0 10.0 9.0 9.0 8.0 8.0 run 1 2 3 4 run 1 2 3 4 met gas zonder gas Figuur 11.3: De amplitude van de P3 in de actieve taak over de vier runs. (1 = baseline, 2 = na piekbelasting van 2.000 ppm gedurende 2 minuten, 3 = na één uur blootstellen aan 80 ppm, 4 = na twee uur blootstelling aan 80 ppm). Een vergelijking van Figuren 11.1 en 11.3 suggereert dat het effect van blootstelling in de passieve en actieve taak tegenovergesteld is. In de passieve taak zakt de amplitude van de N1 na twee uur blootstelling weg, terwijl in de actieve taak de amplitude van de P3 achter op de schedel kleiner wordt, maar na twee uur blootstelling centraal juist gro-ter is geworden. Discussie Welke betekenis hebben de gevonden resultaten? De door ons geconstateerde reductie in de amplitude van de N1 na twee uur blootstelling in de passieve, auditieve taak, komt overeen met die van Houston et al. (1988) bij 10 % lachgas (100.000 ppm). In ons onderzoek is echter een veel lagere concentratie lachgas gebruikt. Alhoewel de gevoeligheid van het centraal zenuwstelsel voor afwijkende prikkels tijdens de aangeboden reeks stimuli gehandhaafd bleef, bleek de absolute sensitiviteit over de twee uur blootstelling af te nemen. Dit resultaat zou kunnen betekenen dat mensen die aan spoorconcentraties lachgas zijn blootgesteld, prikkels uit hun omgeving minder goed gaan waarnemen wanneer hun aandacht op iets anders is gericht. Tegenover dit resultaat betreffende de passieve taak staat de P3-amplitude resultaat bij de actieve taak. Alhoewel Fowler et al.
136 M. Elton en anderen (1993) een afname in P3-amplitude vonden, werd deze reductie bij een veel hogere concentratie lachgas (35 %) gevonden. Dat de N1-amplitude in de passieve taak een kleine afname tijdens de twee uur lachgasblootstelling vertoont en de P3-amplitude in de actieve taak op de pariëtale elektrode een iets sterkere afname, maar op de centrale elektrode een toéname laat zien, zou kunnen worden verklaard door inzet van de proefpersoon die nodig is bij de uitvoering van actieve taken (Snel en Elton, hoofdstuk 10). Zulk een motivatiemechanisme zou voldoende energie mobiliseren om bij zeer lage concentraties van lachgas te compenseren voor de achteruitgang van de prestatie op taken die voornamelijk centrale stadia in het informatieverwerkingsproces aanspreken. Of deze compensatiecapaciteit voldoende groot blijft om een achteruitgang in taakuitvoering over een acht-urige werkdag te compenseren in een omgeving waarin lachgas aanwezig is, kan op dit moment niet worden beantwoord. Er zijn aanwijzingen dat een vrij weekeinde niet voldoende is om te herstellen van een week werken in operatieruimtes, waarin blootstelling aan lachgas plaatsvindt (Snel en Elton: hoofdstuk 10, Tabel 10.4). Literatuur Fowler B, Adams J. Dissociation of the effects of alcohol and amphetamine on inert gas narcosis using reaction time and P300 latency. Aviation, Space and Environmental Medicine, 1993; 64: 493-499. Houston HG, McClelland RJ, Fewick, P. Effects of nitrous oxide on auditory cortical evoked potentials and subjective threshold. British Journal of Anaesthesia, 1988; 61: 606-610. Lorist M. Caffeine and human information processing. Proefschrift, 1995. Faculteit der Psychologie, Vakgroep Psychonomie, Universiteit van Amsterdam. Sanders AF. Towards a model of stress and human performance. Acta Psychologica, 1983; 53: 61-97. Van der Molen M, Bashore TR, Halliday R, Callaway E. Chronopsychophysiology: Mental chronometry augmented by psychophysiological time markers. In: JR Jennings, MGH Coles (Eds.) Handbook of cognitive psychophysiology: Central and autonomic nervous system approaches. 1991; Wiley, New York. blz. 9-178.