Nicht-invasive bioelektronische Analytik (NIBA)

Biomarker, die das Vorhandensein oder die Intensität von Krankheiten oder die Wirksamkeit von Behandlungen widerspiegeln, sind von zentraler Bedeutung für den medizinischen Fortschritt. Aufgezeichnete Biomarker geben Aufschluss über physiologische Prozesse, die vom autonomen Nervensystem (ANS) reguliert werden, darunter Blutdruck, Herzfrequenz, Schwitzen und Körpertemperatur. Das ANS hat zwei Hauptabteilungen: sympathische und parasympathische Systeme. Die meisten Organe erhalten einen wechselseitigen Input von beiden Systemen, um die Homöostase durch das ANS-Gleichgewicht zu erreichen. Diese Regulation erfolgt ohne bewusste Steuerung (d.h. autonom). Eine Dysregulation des ANS kann als Folge von Störungen oder Verletzungen auftreten, einschließlich Diabetes, Sepsis, Rückenmarksverletzungen (SCI), Parkinson-Krankheit und vielen anderen Erkrankungen.

Das ANS ist der Teil des Nervensystems, der Körperfunktionen reguliert und integriert, die typischerweise unwillkürlich ablaufen, insbesondere innere Organe wie Blutgefäße, Lunge, Pupillen, Herz, Schweiß- und Speicheldrüsen. Zusammen mit immunologischen Systemen kontrolliert und passt es die Homöostase der inneren Umgebung an, basierend auf Veränderungen in der äußeren Umgebung. Störungen der autonomen Regulation wurden bei einer Vielzahl von Krankheiten und Störungen beschrieben, darunter solche, die das Nervensystem direkt betreffen, wie Rückenmarksverletzungen und Schlaganfälle, und solche, die andere Organsysteme betreffen, wie Sepsis und Infektionen, rheumatoide Arthritis, Morbus Crohn Krankheit, Diabetes mellitus und zahlreiche Herzerkrankungen. Diese Dysregulation manifestiert sich für jede dieser Erkrankungen unterschiedlich, sogar uneinheitlich bei den Patienten, und die Bedeutung der Symptome aufgrund einer ANS-Dysfunktion ist nicht gut verstanden.

Das ANS kann in zwei Hauptzweige unterteilt werden: das sympathische und das parasympathische System. Alle inneren Organe werden von einem oder beiden Komponentensystemen durch die ANS-Hauptleitungen innerviert, zu denen der Hirnstamm, das Rückenmark und die Hirnnerven wie der Vagusnerv gehören. Die Zweige funktionieren typischerweise entgegengesetzt und komplementär zueinander; Zu den physiologischen Veränderungen im Zusammenhang mit dem sympathischen System gehören eine Beschleunigung der Herzfrequenz, Pupillenerweiterung und Schweißbildung, während das parasympathische System das Herz verlangsamt, den Blutdruck senkt und die Muskeln entspannt. Beide Systeme arbeiten zusammen, um den Blutdruck, den Vagustonus, die Herzfrequenz, die Atmung und die Herzkontraktilität zu modulieren und aufrechtzuerhalten. Während beide Systeme arbeiten, um die Homöostase aufrechtzuerhalten, kann das sympathische System als ein schnell reagierendes und mobilisierendes System betrachtet werden, während das parasympathische System ein langsamer aktiviertes und dämpfendes System ist.

Anstatt das ANS direkt vom zentralen oder peripheren Nervensystem durch invasive Implantate zu messen, ist es durch Fortschritte bei nichtinvasiven klinischen Tests möglich, physiologische Signale aufzuzeichnen. Labore sind in der Lage, die autonome Funktion zu testen und sich auf Batterien akzeptierter, nichtinvasiver Tests zu verlassen. Laut der American Academy of Neurology (AAN) gehören zu den Standardtechniken autonomer Tests die Messung der Herzfrequenz und der Blutdruckvariabilität während der tiefen Atmung, der Kipptisch und das Valsalva-Manöver zur Beurteilung der kardiovagalen (parasympathischen) und sudomotorischen (sympathischen) Funktion. Es ist einfach, die begrenzte notwendige Ausrüstung (Blutdruckmanschette, Elektrokardiogramm [EKG]) durch Einbeziehung einer Elektroenzephalographie (EEG) zur Messung der Gehirnaktivität, einer Elektromyographie (EMG) zur Messung der Muskelaktivität und einer Eye-Tracking-Brille zur Messung der Pupillometrie während dieser Batterie zu ergänzen . Alle nichtinvasiven Signale können während kontrollierter Störungen gemessen werden, um das ANS zu charakterisieren. Die Bewertung der ANS-Funktion wird heute in mehreren Disziplinen verwendet, darunter Neurologie, Kardiologie, Psychologie, Psychophysiologie, Geburtshilfe, Anästhesiologie und Psychiatrie.

Neurale Reflexe steuern Reaktionen im kardiovaskulären, pulmonalen, gastrointestinalen, renalen, hepatischen und endokrinen System. Der auf dem Vagusnerv basierende Entzündungsreflex ist am Feinstein Institute for Medical Research von besonderem Interesse und reguliert nachweislich die Immunfunktion. Das Nervensystem interagiert über diesen Weg mit dem Immunsystem; Molekulare Mediatoren der angeborenen Immunität aktivieren afferente Signale im Vagusnerv zum Hirnstamm, der efferente Signale den Vagusnerv hinunter sendet, um Entzündungen und die Freisetzung von Zytokinen zu regulieren. Es wurde gezeigt, dass die Vagusnervstimulation (VNS) die Produktion und Freisetzung von entzündungsfördernden Zytokinen verringert; Bioelektronische Geräte wurden in vorklinischen und klinischen Pilotversuchen eingesetzt, um Entzündungen bei Patienten mit rheumatoider Arthritis und Morbus Crohn zu reduzieren.

Der Aurikularast des Vagusnervs kommt vom Vagus und innerviert Hautareale des Außenohrs. Die transkutane aurikuläre Vagusnervstimulation (taVNS) bietet eine nicht-invasive Methode zur Stimulation des Vagusnervs ohne chirurgischen Eingriff. Das Gerät besteht aus einem Clip, der Prozesse der Ohrmuschel mit elektrischen Signalen versorgt, und wurde in früheren klinischen Studien für mehrere Erkrankungen eingesetzt, darunter refraktäre Epilepsie, Depression, Prädiabetes, Tinnitus, Gedächtnis, Schlaganfall, oromotorische Dysfunktion und Rheuma Arthritis, wobei zusätzliche Studien zur Therapie oder Behandlung von Schlaganfall, Vorhofflimmern und Herzinsuffizienz geplant sind. Diese Studien haben eine Reihe von elektrischen Stimulationseinstellungen und -stellen verwendet; Der Mechanismus von taVNS und Reaktionen sind nicht gut verstanden, ebenso wie die Auswirkungen von Änderungen der Stimulationsparameter auf das ANS.

In letzter Zeit ermöglicht die Anwendung von maschinellen Lernmodellen und Decodieralgorithmen die Verwendung häufig verwendeter klinischer Messungen physiologischer Signale, um breitere Phänomene der autonomen Funktion und Dysregulation besser zu verstehen. Die Forschung konzentrierte sich auf die Entwicklung quantitativer Standards auf der Grundlage von Biomarkern, um die Diagnose, Prognose und Schätzung der Behandlungswirksamkeit zu unterstützen. Autonome Daten könnten möglicherweise objektive Maße von Krankheitszuständen erfassen, und Techniken des maschinellen Lernens können verwendet werden, um relevante Merkmale für den Aufbau eines Vorhersagemodells des ANS-Gleichgewichts zu extrahieren. Durch das Training eines solchen Modells mit Aufzeichnungen von gesunden, nicht behinderten Personen planen die Forscher, das ANS-Gleichgewicht zu charakterisieren und dieses Modell dann auf neue Datensätze und Personen anzuwenden, um Krankheitszustände zu diagnostizieren oder vorherzusagen.

Moderne Methoden der Computational Science wurden verwendet, um komplexe klinische und experimentelle Daten zu entschlüsseln, indem Muster erkannt, Signale klassifiziert und Informationen für neues Wissen extrahiert wurden. Durch Signalverarbeitungstechniken war es möglich, Signale des autonomen Nervensystems, die durch den Vagusnerv übermittelt werden, zu entschlüsseln, indem Gruppen von Vagusneuronen identifiziert wurden, die als Reaktion auf die Verabreichung spezifischer Zytokine feuern. Darüber hinaus wurde maschinelles Lernen verwendet, um klinische Schmerzen mit multimodalen autonomen Metriken und Neuroimaging zu quantifizieren, und umfangreiche ambulante Daten wurden verwendet, um physiologische Signale zu überwachen und Multisensormodelle zu entwickeln, um Stress im täglichen Leben zu erkennen.

Außerdem wollen die Forscher untersuchen, wie diese Messungen durch die Anwendung nicht-invasiver transkutaner elektrischer Stimulation des Vagusnervs beeinflusst werden. Die Stimulation des Vagusnervs durch einen chirurgisch implantierten Stimulator reguliert und unterdrückt die entzündungsfördernde Zytokinfreisetzung. Dies wurde nun in einer erfolgreichen klinischen Studie zur Behandlung von rheumatoider Arthritis und Morbus Crohn eingesetzt. Die nicht-invasive transkutane Stimulation des Vagusnervs hat ebenfalls vielversprechende frühe Ergebnisse gezeigt, was darauf hindeutet, dass nicht-invasive Methoden zur Aktivierung eines bestimmten Teils des autonomen Nervensystems erfolgreich zur Behandlung von Krankheiten eingesetzt werden können. Es sind jedoch keine Echtzeit-Biomarker für die Wirksamkeit dieser Behandlung verfügbar.

Hier wird die Studie einen Rahmen entwickeln, um eine Vielzahl von nichtinvasiven physiologischen Signalen während kontrollierter autonomer Tests zu entschlüsseln, um ein Modell zu bilden, das das ANS-Gleichgewicht sowie die Auswirkungen von taVNS auf das System bei gesunden und nicht behinderten Personen quantifizieren kann. Die aus dieser Studie gewonnenen Daten werden es ermöglichen, frühe und signifikante Abweichungen von der "normalen" Homöostase zu erkennen und neuartige nicht-invasive Echtzeit-Biomarker bereitzustellen, die zur Beurteilung des Ausbruchs oder der Schwere der Krankheit sowie der Wirksamkeit einer Therapie bei der Aktivierung verwendet werden könnten das ANS in besonderer Weise. Langfristig wird dies aktuelle Behandlungsprotokolle verbessern und neue therapeutische Möglichkeiten aufzeigen.