Ikke-invasiv bioelektronisk analyse (NIBA)

Biomarkører, der afspejler sygdomstilstedeværelse eller intensitet, eller behandlingseffektivitet, er centrale for medicinske fremskridt. Registrerede biomarkører giver information om fysiologiske processer, der reguleres af det autonome nervesystem (ANS), som omfatter blodtryk, hjertefrekvens, svedtendens og kropstemperatur. ANS har to hovedafdelinger: sympatiske og parasympatiske systemer. De fleste organer modtager gensidig input fra begge systemer for at opnå homeostase gennem ANS balance. Denne regulering sker uden bevidst kontrol (dvs. autonomt). Dysregulering af ANS kan forekomme som følge af lidelser eller skader, herunder diabetes, sepsis, rygmarvsskader (SCI), Parkinsons sygdom og mange andre tilstande.

ANS er den del af nervesystemet, der regulerer og integrerer kropsfunktioner, der typisk kører ufrivilligt, især indre organer, herunder blodkar, lunger, pupiller, hjerte, sved og spytkirtler. Sammen med immunologiske systemer kontrollerer og tilpasser det homeostase af det indre miljø baseret på ændringer i det ydre miljø. Forstyrrelser i autonom regulering er blevet beskrevet i en række sygdomme og lidelser, herunder dem, der direkte påvirker nervesystemet, såsom rygmarvsskader og slagtilfælde, og dem, der rammer andre organsystemer, såsom sepsis og infektion, leddegigt, Crohns sygdom, diabetes mellitus og adskillige hjertesygdomme. Denne dysregulering manifesterer sig forskelligt for hver af disse tilstande, selv inkonsekvent på tværs af patienter, og betydningen af ​​symptomer på grund af ANS dysfunktion er ikke godt forstået.

ANS kan opdeles i to hovedgrene: det sympatiske og det parasympatiske system. Alle indre organer innerveres af et eller begge komponentsystemer gennem ANS-hovedkanalerne, som omfatter hjernestammen, rygmarven og kranienerverne, såsom vagusnerven. Grenene fungerer typisk modsat og komplementære af hinanden; Fysiologiske ændringer forbundet med det sympatiske system omfatter acceleration af hjertefrekvens, udvidelse af pupiller og sved, mens det parasympatiske system sænker hjertet, sænker blodtrykket og afspænder musklerne. Begge systemer arbejder i tandem for at modulere og vedligeholde blodtryk, vagus tonus, hjertefrekvens, respiration og hjertekontraktilitet. Mens begge systemer fungerer for at opretholde homeostase, kan det sympatiske system betragtes som et hurtigt reagerende og mobiliserende system, mens det parasympatiske er et langsommere aktiveret og dæmpende system.

I stedet for at måle ANS direkte fra det centrale eller perifere nervesystem gennem invasive implantater, er det muligt at registrere fysiologiske signaler gennem fremskridt inden for ikke-invasiv klinisk test. Laboratorier er i stand til at teste autonom funktion og stole på batterier af accepterede, ikke-invasive tests. Ifølge American Academy of Neurology (AAN) inkluderer standardteknikker for autonom testning måling af hjertefrekvens og blodtryksvariabilitet under dyb vejrtrækning, vippebord og Valsalva-manøvren for at vurdere kardiovagal (parasympatisk) og sudomotorisk (sympatisk) funktion. Det er ligetil at tilføje det begrænsede nødvendige udstyr (blodtryksmanchet, elektrokardiogram [EKG]) ved at inkludere elektroencefalografi (EEG) til at måle hjerneaktivitet, elektromyografi (EMG) til at måle muskelaktivitet og øjensporingsbriller til at måle pupillometri under dette batteri . Alle ikke-invasive signaler kan måles under kontrollerede forstyrrelser for at karakterisere ANS. Vurdering af ANS-funktion bruges nu i flere discipliner, herunder neurologi, kardiologi, psykologi, psykofysiologi, obstetrik, anæstesiologi og psykiatri.

Neurale reflekser kontrollerer responser i de kardiovaskulære, pulmonale, gastrointestinale, renale, hepatiske og endokrine systemer. Den vagus nerve-baserede inflammatoriske refleks er af særlig interesse på Feinstein Institute for Medical Research og har vist sig at regulere immunfunktionen. Nervesystemet interagerer med immunsystemet ad denne vej; molekylære mediatorer af medfødt immunitet aktiverer afferente signaler i vagusnerven til hjernestammen, som sender efferente signaler ned i vagusnerven for at regulere inflammation og cytokinfrigivelse. Vagus nervestimulation (VNS) har vist sig at reducere produktion og frigivelse af pro-inflammatoriske cytokiner; bioelektroniske enheder er blevet brugt i prækliniske og kliniske pilotforsøg for at reducere inflammation hos patienter med leddegigt og Crohns sygdom.

Den aurikulære gren af ​​vagusnerven kommer fra vagus og innerverer kutane områder af det ydre øre. Transkutan aurikulær vagusnervestimulering (taVNS) tilbyder et ikke-invasivt middel til at stimulere vagusnerven uden kirurgisk indgreb. Enheden består af en klemme, der leverer elektriske signaler til processer i auriclen, og den er blevet brugt i tidligere kliniske undersøgelser til flere tilstande, herunder refraktær epilepsi, depression, præ-diabetes, tinnitus, hukommelse, slagtilfælde, oromotorisk dysfunktion og reumatoid arthritis, med yderligere undersøgelser planlagt til terapi eller behandling af slagtilfælde, atrieflimren og hjertesvigt. Disse undersøgelser har brugt en række elektriske stimuleringsindstillinger og steder; mekanismen for taVNS og responser er ikke godt forstået, såvel som virkningerne af ændringer i stimulationsparametre på ANS.

For nylig tillader anvendelse af maskinlæringsmodeller og afkodningsalgoritmer at bruge almindeligt anvendte kliniske målinger af fysiologiske signaler for bedre at forstå bredere fænomener af autonom funktion og dysregulering. Forskning har været fokuseret på at udvikle kvantitative standarder baseret på biomarkører for at hjælpe med diagnose, prognose og estimater af behandlingseffektivitet. Autonome data kan potentielt fange objektive mål for sygdomstilstande, og maskinlæringsteknikker kan bruges til at udtrække relevante funktioner til at opbygge en forudsigelig model for ANS-balance. Ved at træne en sådan model på optagelser fra raske, raske personer planlægger efterforskerne at karakterisere ANS-balancen og derefter anvende denne model på nye datasæt og individer til at diagnosticere eller forudsige sygdomstilstande.

Moderne metoder inden for beregningsvidenskab er blevet brugt til at afkode komplekse kliniske og eksperimentelle data ved at detektere mønstre, klassificere signaler og udtrække information til ny viden. Gennem signalbehandlingsteknikker har det været muligt at afkode signaler fra det autonome nervesystem, der overføres gennem vagusnerven ved at identificere grupper af vagale neuroner, der affyrer som reaktion på administrationen af ​​specifikke cytokiner. Derudover er maskinlæring blevet brugt til at kvantificere klinisk smerte ved hjælp af multimodale autonome metrikker og neuroimaging, og ambulatoriske data i stor skala er blevet brugt til at overvåge fysiologiske signaler og udvikle multisensormodeller til at detektere stress i dagligdagen.

Derudover ønsker efterforskerne at undersøge, hvordan disse målinger påvirkes af brugen af ​​ikke-invasiv transkutan elektrisk stimulering af vagusnerven. Stimulering af vagusnerven med en kirurgisk implanteret stimulator regulerer og undertrykker pro-inflammatorisk cytokinfrigivelse. Dette er nu blevet brugt i et vellykket klinisk forsøg til behandling af reumatoid arthritis og Crohns sygdom. Ikke-invasiv transkutan stimulering af vagusnerven har også vist lovende tidlige resultater, hvilket indikerer, at ikke-invasive metoder til aktivering af en specifik del af det autonome nervesystem med succes kan bruges til at behandle sygdom. Realtidsbiomarkører for effektiviteten af ​​denne behandling er dog ikke tilgængelige.

Her vil undersøgelsen udvikle en ramme til at afkode et væld af ikke-invasive fysiologiske signaler under kontrolleret autonom testning for at danne en model, der kan kvantificere ANS balance, samt virkningerne af taVNS på systemet, hos raske og raske personer. Data afledt af denne undersøgelse vil gøre det muligt at opdage tidlige og signifikante afvigelser fra "normal" homeostase og give nye ikke-invasive realtids biomarkører, der kan bruges til at vurdere sygdomsdebut eller sværhedsgrad, samt effektiviteten af ​​en terapi til at aktivere ANS på en bestemt måde. På længere sigt vil dette forbedre de nuværende behandlingsprotokoller og foreslå nye terapeutiske muligheder.