Neinvazivní bioelektronická analýza (NIBA)

Biomarkery, které odrážejí přítomnost nebo intenzitu onemocnění nebo účinnost léčby, jsou zásadní pro pokrok v medicíně. Zaznamenané biomarkery poskytují informace o fyziologických procesech regulovaných autonomním nervovým systémem (ANS), které zahrnují krevní tlak, srdeční frekvenci, pocení a tělesnou teplotu. ANS má dvě hlavní divize: sympatický a parasympatický systém. Většina orgánů přijímá reciproční vstupy z obou systémů k dosažení homeostázy prostřednictvím rovnováhy ANS. Tato regulace probíhá bez vědomé kontroly (tj. autonomně). K dysregulaci ANS může dojít v důsledku poruch nebo zranění, včetně cukrovky, sepse, poranění míchy (SCI), Parkinsonovy choroby a mnoha dalších stavů.

ANS je část nervového systému, která reguluje a integruje tělesné funkce, které obvykle probíhají nedobrovolně, zejména vnitřní orgány včetně krevních cév, plic, zornic, srdce, potu a slinných žláz. Spolu s imunologickými systémy řídí a přizpůsobuje homeostázu vnitřního prostředí na základě změn vnějšího prostředí. Poruchy v autonomní regulaci byly popsány u různých onemocnění a poruch, včetně těch, které přímo ovlivňují nervový systém, jako jsou poranění míchy a mrtvice, a těch, které postihují jiné orgánové systémy, jako je sepse a infekce, revmatoidní artritida, Crohnova choroba. onemocnění, diabetes mellitus a četná srdeční onemocnění. Tato dysregulace se u každého z těchto stavů projevuje odlišně, dokonce u pacientů nekonzistentně, a význam symptomů způsobených dysfunkcí ANS není dobře pochopen.

ANS lze rozdělit na dvě hlavní větve: sympatický a parasympatický systém. Všechny vnitřní orgány jsou inervovány jedním nebo oběma složkovými systémy prostřednictvím hlavních kanálů ANS, které zahrnují mozkový kmen, míchu a hlavové nervy, jako je bloudivý nerv. Větve obvykle fungují naproti sobě a vzájemně se doplňují; fyziologické změny spojené se sympatickým systémem zahrnují zrychlení srdeční frekvence, rozšíření zornic a pocení, zatímco parasympatický systém zpomaluje činnost srdce, snižuje krevní tlak a uvolňuje svaly. Oba systémy pracují v tandemu na modulaci a udržování krevního tlaku, tonusu vagu, srdeční frekvence, dýchání a srdeční kontraktility. Zatímco oba systémy fungují tak, aby udržovaly homeostázu, sympatický systém lze považovat za systém rychlé reakce a mobilizace, zatímco parasympatikus je pomaleji aktivovaný a tlumící systém.

Místo měření ANS přímo z centrálního nebo periferního nervového systému pomocí invazivních implantátů je možné zaznamenávat fyziologické signály díky pokrokům v neinvazivním klinickém testování. Laboratoře jsou schopny testovat autonomní funkce a spolehnout se na baterie akceptovaných, neinvazivních testů. Podle Americké akademie neurologie (AAN) mezi standardní techniky autonomního testování patří měření srdeční frekvence a variability krevního tlaku během hlubokého dýchání, naklonění stolu a Valsalvův manévr k posouzení kardioovagální (parasympatikus) a sudomotorické (sympatikus) funkce. K omezenému potřebnému vybavení (manžeta na krevní tlak, elektrokardiogram [EKG]) lze snadno přidat elektroencefalografii (EEG) pro měření mozkové aktivity, elektromyografii (EMG) pro měření svalové aktivity a brýle pro sledování očí pro měření pupilometrie během této baterie . Všechny neinvazivní signály lze měřit během řízených poruch pro charakterizaci ANS. Hodnocení funkce ANS se nyní používá v mnoha oborech, včetně neurologie, kardiologie, psychologie, psychofyziologie, porodnictví, anesteziologie a psychiatrie.

Nervové reflexy řídí odezvy v kardiovaskulárním, plicním, gastrointestinálním, ledvinovém, jaterním a endokrinním systému. Zánětlivý reflex založený na vagusovém nervu je zvláště zajímavý ve Feinsteinově institutu pro lékařský výzkum a bylo prokázáno, že reguluje imunitní funkce. Nervový systém touto cestou interaguje s imunitním systémem; molekulární mediátory vrozené imunity aktivují aferentní signály v nervu vagus do mozkového kmene, který vysílá eferentní signály do nervu vagus, aby reguloval zánět a uvolňování cytokinů. Bylo prokázáno, že stimulace vagusového nervu (VNS) snižuje produkci a uvolňování prozánětlivých cytokinů; bioelektronická zařízení byla použita v preklinických a pilotních klinických studiích ke snížení zánětu u pacientů s revmatoidní artritidou a Crohnovou chorobou.

Aurikulární větev bloudivého nervu pochází z vagu a inervuje kožní oblasti vnějšího ucha. Transkutánní aurikulární stimulace nervu vagus (taVNS) nabízí neinvazivní způsob stimulace nervu vagus bez chirurgického zákroku. Zařízení se skládá z klipu, který dodává elektrické signály do procesů ušního boltce, a bylo použito v předchozích klinických studiích pro různé stavy, včetně refrakterní epilepsie, deprese, prediabetu, tinnitu, paměti, mrtvice, oromotorické dysfunkce a revmatoidního onemocnění. artritida, s dalšími studiemi plánovanými pro terapii nebo léčbu mrtvice, fibrilace síní a srdečního selhání. Tyto studie využívaly řadu nastavení a míst elektrické stimulace; mechanismus taVNS a reakce nejsou dobře pochopeny, stejně jako účinky změn ve stimulačních parametrech na ANS.

Aplikace modelů strojového učení a dekódovacích algoritmů v poslední době umožňuje využívat běžně používané klinické měření fyziologických signálů k lepšímu pochopení širších jevů autonomních funkcí a dysregulace. Výzkum byl zaměřen na vývoj kvantitativních standardů založených na biomarkerech, které pomáhají s diagnózou, prognózou a odhady účinnosti léčby. Autonomní data by mohla potenciálně zachycovat objektivní míry chorobných stavů a ​​techniky strojového učení lze použít k extrakci relevantních funkcí pro vytvoření prediktivního modelu rovnováhy ANS. Trénováním takového modelu na nahrávkách od zdravých zdravých jedinců plánují výzkumníci charakterizovat rovnováhu ANS a poté aplikovat tento model na nové soubory dat a jednotlivce k diagnostice nebo předpovědi chorobných stavů.

Moderní metody výpočetní vědy byly použity k dekódování složitých klinických a experimentálních dat pomocí detekce vzorů, klasifikace signálů a získávání informací směrem k novým znalostem. Prostřednictvím technik zpracování signálů bylo možné dekódovat signály autonomního nervového systému přenášené vagusovým nervem identifikací skupin vagových neuronů, které se aktivují v reakci na podání specifických cytokinů. Kromě toho bylo strojové učení použito ke kvantifikaci klinické bolesti pomocí multimodálních autonomních metrik a neuroimagingu a rozsáhlá ambulantní data byla použita k monitorování fyziologických signálů a vývoji multisenzorových modelů pro detekci stresu v každodenním životě.

Kromě toho chtějí vyšetřovatelé prozkoumat, jak jsou tato měření ovlivněna použitím neinvazivní transkutánní elektrické stimulace nervu vagus. Stimulace bloudivého nervu chirurgicky implantovaným stimulátorem reguluje a potlačuje uvolňování prozánětlivých cytokinů. To bylo nyní použito v úspěšné klinické studii k léčbě revmatoidní artritidy a Crohnovy choroby. Neinvazivní transkutánní stimulace nervus vagus také vykazuje slibné rané výsledky, což naznačuje, že neinvazivní metody aktivace specifické části autonomního nervového systému lze úspěšně použít k léčbě onemocnění. Biomarkery účinnosti této léčby v reálném čase však nejsou dostupné.

Zde studie vyvine rámec pro dekódování velkého množství neinvazivních fyziologických signálů během řízeného autonomního testování za účelem vytvoření modelu, který může kvantifikovat rovnováhu ANS, stejně jako účinky taVNS na systém, u zdravých a zdravých jedinců. Data odvozená z této studie umožní schopnost detekovat časné a významné odchylky od „normální“ homeostázy a poskytnout nové neinvazivní biomarkery v reálném čase, které by mohly být použity k posouzení nástupu nebo závažnosti onemocnění, stejně jako účinnosti terapie při aktivaci ŘLP specifickým způsobem. Z dlouhodobého hlediska to zlepší současné léčebné protokoly a nabídne nové terapeutické možnosti.