Analítica bioelectrónica no invasiva (NIBA)

Los biomarcadores que reflejan la presencia o la intensidad de la enfermedad, o la eficacia del tratamiento, son fundamentales para los avances médicos. Los biomarcadores registrados brindan información sobre los procesos fisiológicos regulados por el sistema nervioso autónomo (ANS), que incluyen la presión arterial, la frecuencia cardíaca, la sudoración y la temperatura corporal. El SNA tiene dos divisiones principales: los sistemas simpático y parasimpático. La mayoría de los órganos reciben información recíproca de ambos sistemas para lograr la homeostasis a través del equilibrio del SNA. Esta regulación se produce sin control consciente (es decir, de forma autónoma). La desregulación del SNA puede ocurrir como resultado de trastornos o lesiones, como diabetes, sepsis, lesiones de la médula espinal (SCI), enfermedad de Parkinson y muchas otras afecciones.

El SNA es la parte del sistema nervioso que regula e integra las funciones corporales que normalmente se ejecutan de forma involuntaria, en particular los órganos internos, incluidos los vasos sanguíneos, los pulmones, las pupilas, el corazón, el sudor y las glándulas salivales. Junto con los sistemas inmunológicos, controla y adapta la homeostasis del entorno interno en función de los cambios en el entorno externo. Se han descrito alteraciones en la regulación autonómica en una variedad de enfermedades y trastornos, incluidos los que afectan directamente al sistema nervioso, como las lesiones de la médula espinal y los accidentes cerebrovasculares, y los que afectan a otros sistemas de órganos, como la sepsis y las infecciones, la artritis reumatoide, la enfermedad de Crohn. enfermedad, diabetes mellitus y numerosas afecciones cardíacas. Esta desregulación se manifiesta de manera diferente para cada una de estas condiciones, incluso de manera inconsistente entre los pacientes, y la importancia de los síntomas debido a la disfunción del SNA no se comprende bien.

El SNA se puede dividir en dos ramas principales: los sistemas simpático y parasimpático. Todos los órganos internos están inervados por uno o ambos sistemas componentes a través de los conductos principales del SNA, que incluyen el tronco encefálico, la médula espinal y los nervios craneales, como el nervio vago. Las ramas suelen funcionar de manera opuesta y complementaria entre sí; Los cambios fisiológicos asociados con el sistema simpático incluyen la aceleración del ritmo cardíaco, la dilatación de las pupilas y la transpiración, mientras que el sistema parasimpático ralentiza el corazón, reduce la presión arterial y relaja los músculos. Ambos sistemas funcionan en conjunto para modular y mantener la presión arterial, el tono vagal, la frecuencia cardíaca, la respiración y la contractilidad cardíaca. Si bien ambos sistemas funcionan para mantener la homeostasis, el sistema simpático puede considerarse un sistema de respuesta rápida y de movilización, mientras que el parasimpático es un sistema amortiguador y de activación más lenta.

En lugar de medir el ANS directamente desde el sistema nervioso central o periférico a través de implantes invasivos, es posible registrar señales fisiológicas a través de avances en pruebas clínicas no invasivas. Los laboratorios pueden probar la función autonómica y confiar en baterías de pruebas no invasivas aceptadas. Según la Academia Estadounidense de Neurología (AAN), las técnicas estándar de pruebas autonómicas incluyen medir la frecuencia cardíaca y la variabilidad de la presión arterial durante la respiración profunda, la mesa basculante y la maniobra de Valsalva para evaluar la función cardiovagal (parasimpática) y sudomotora (simpática). Es sencillo agregar al equipo necesario limitado (manguito de presión arterial, electrocardiograma [ECG]) al incluir electroencefalografía (EEG) para medir la actividad cerebral, electromiografía (EMG) para medir la actividad muscular y anteojos de seguimiento ocular para medir la pupilometría durante esta batería. . Todas las señales no invasivas pueden medirse durante perturbaciones controladas para caracterizar el SNA. La evaluación de la función del SNA ahora se utiliza en múltiples disciplinas, incluidas la neurología, la cardiología, la psicología, la psicofisiología, la obstetricia, la anestesiología y la psiquiatría.

Los reflejos neurales controlan las respuestas en los sistemas cardiovascular, pulmonar, gastrointestinal, renal, hepático y endocrino. El reflejo inflamatorio basado en el nervio vago es de particular interés en el Instituto Feinstein de Investigación Médica y se ha demostrado que regula la función inmunológica. El sistema nervioso interactúa con el sistema inmunológico por esta vía; los mediadores moleculares de la inmunidad innata activan señales aferentes en el nervio vago hacia el tronco encefálico, que envía señales eferentes al nervio vago para regular la inflamación y la liberación de citoquinas. Se ha demostrado que la estimulación del nervio vago (VNS) disminuye la producción y liberación de citocinas proinflamatorias; Los dispositivos bioelectrónicos se han utilizado en ensayos clínicos preclínicos y piloto para reducir la inflamación en pacientes con artritis reumatoide y enfermedad de Crohn.

La rama auricular del nervio vago proviene del nervio vago e inerva las áreas cutáneas del oído externo. La estimulación transcutánea del nervio vago auricular (taVNS) ofrece un medio no invasivo de estimular el nervio vago sin intervención quirúrgica. El dispositivo consta de un clip que suministra señales eléctricas a los procesos de la aurícula y se ha utilizado en estudios clínicos previos para múltiples afecciones, que incluyen epilepsia refractaria, depresión, prediabetes, tinnitus, memoria, accidente cerebrovascular, disfunción oromotora y reumatoide. artritis, con estudios adicionales planificados para la terapia o el tratamiento del accidente cerebrovascular, la fibrilación auricular y la insuficiencia cardíaca. Estos estudios han utilizado una variedad de entornos y sitios de estimulación eléctrica; el mecanismo de taVNS y las respuestas no se comprenden bien, así como los efectos de los cambios en los parámetros de estimulación en ANS.

Recientemente, la aplicación de modelos de aprendizaje automático y algoritmos de decodificación permite utilizar la medición clínica de señales fisiológicas de uso común para comprender mejor los fenómenos más amplios de la función autónoma y la desregulación. La investigación se ha centrado en desarrollar estándares cuantitativos basados ​​en biomarcadores para ayudar con el diagnóstico, el pronóstico y las estimaciones de la eficacia del tratamiento. Los datos autonómicos podrían potencialmente capturar medidas objetivas de estados de enfermedad, y las técnicas de aprendizaje automático se pueden usar para extraer características relevantes para construir un modelo predictivo del equilibrio del SNA. Al entrenar un modelo de este tipo en registros de personas sanas y sin discapacidad, los investigadores planean caracterizar el equilibrio del SNA y luego aplicar este modelo a nuevos conjuntos de datos e individuos para diagnosticar o predecir estados de enfermedad.

Los métodos modernos de la ciencia computacional se han utilizado para decodificar datos clínicos y experimentales complejos mediante la detección de patrones, la clasificación de señales y la extracción de información hacia nuevos conocimientos. A través de técnicas de procesamiento de señales, ha sido posible decodificar señales del sistema nervioso autónomo transmitidas a través del nervio vago mediante la identificación de grupos de neuronas vagales que se disparan en respuesta a la administración de citoquinas específicas. Además, el aprendizaje automático se ha utilizado para cuantificar el dolor clínico utilizando métricas autonómicas multimodales y neuroimagen, y los datos ambulatorios a gran escala se han utilizado para monitorear señales fisiológicas y desarrollar modelos de sensores múltiples para detectar el estrés en la vida diaria.

Además, los investigadores quieren examinar cómo estas medidas se ven afectadas por el uso de estimulación eléctrica transcutánea no invasiva del nervio vago. La estimulación del nervio vago mediante un estimulador implantado quirúrgicamente regula y suprime la liberación de citocinas proinflamatorias. Esto ahora se ha utilizado en un ensayo clínico exitoso para tratar la artritis reumatoide y la enfermedad de Crohn. La estimulación transcutánea no invasiva del nervio vago también ha mostrado resultados preliminares prometedores, lo que indica que los métodos no invasivos para activar una parte específica del sistema nervioso autónomo pueden usarse con éxito para tratar enfermedades. Sin embargo, no se dispone de biomarcadores en tiempo real de la eficacia de este tratamiento.

Aquí, el estudio desarrollará un marco para decodificar una multitud de señales fisiológicas no invasivas durante las pruebas autonómicas controladas para formar un modelo que pueda cuantificar el equilibrio de ANS, así como los efectos de taVNS en el sistema, en individuos sanos y sin discapacidad. Los datos derivados de este estudio permitirán la capacidad de detectar desviaciones tempranas y significativas de la homeostasis "normal" y proporcionarán nuevos biomarcadores no invasivos en tiempo real que podrían usarse para evaluar el inicio o la gravedad de la enfermedad, así como la eficacia de una terapia para activar el ANS de una manera específica. A largo plazo, esto mejorará los protocolos de tratamiento actuales y sugerirá nuevas oportunidades terapéuticas.