Ei-invasiivinen bioelektroninen analyysi (NIBA)

Biomarkkerit, jotka heijastavat sairauden esiintymistä tai intensiteettiä tai hoidon tehokkuutta, ovat keskeisiä lääketieteen kehityksessä. Tallennetut biomarkkerit antavat tietoa autonomisen hermoston (ANS) säätelemistä fysiologisista prosesseista, joita ovat verenpaine, syke, hikoilu ja kehon lämpötila. ANS:llä on kaksi pääjakoa: sympaattiset ja parasympaattiset järjestelmät. Useimmat elimet saavat vastavuoroista syöttöä molemmista järjestelmistä homeostaasin saavuttamiseksi ANS-tasapainon kautta. Tämä säätely tapahtuu ilman tietoista ohjausta (eli autonomisesti). ANS:n säätelyhäiriö voi johtua häiriöistä tai vammoista, mukaan lukien diabetes, sepsis, selkäydinvammat (SCI), Parkinsonin tauti ja monet muut sairaudet.

ANS on hermoston osa, joka säätelee ja integroi kehon toimintoja, jotka tyypillisesti toimivat tahattomasti, erityisesti sisäelimissä, mukaan lukien verisuonet, keuhkot, pupillit, sydän, hiki ja sylkirauhaset. Yhdessä immunologisten järjestelmien kanssa se ohjaa ja mukauttaa sisäisen ympäristön homeostaasia ulkoisen ympäristön muutosten perusteella. Autonomisen säätelyn häiriöitä on kuvattu useissa sairauksissa ja häiriöissä, mukaan lukien selkäydinvammat ja aivohalvaukset, sekä selkäydinvammat ja aivohalvaukset sekä selkäydinvammat ja -infektiot, kuten sepsis ja infektiot, nivelreuma, Crohnin tauti. sairaus, diabetes mellitus ja monet sydänsairaudet. Tämä säätelyhäiriö ilmenee eri tavalla kussakin näistä tiloista, jopa epäjohdonmukaisesti eri potilailla, ja ANS-häiriöstä johtuvien oireiden merkitystä ei ymmärretä hyvin.

ANS voidaan jakaa kahteen päähaaraan: sympaattiseen ja parasympaattiseen järjestelmään. Kaikki sisäelimet hermotetaan toisella tai molemmilla komponenteilla ANS-pääkanavien kautta, joihin kuuluvat aivorunko, selkäydin ja kallohermot, kuten vagushermo. Haarat toimivat tyypillisesti vastakkain ja täydentävät toisiaan; sympaattiseen järjestelmään liittyviä fysiologisia muutoksia ovat sykkeen kiihtyminen, pupillien laajentuminen ja hikoilu, kun taas parasympaattinen järjestelmä hidastaa sydäntä, alentaa verenpainetta ja rentouttaa lihaksia. Molemmat järjestelmät toimivat rinnakkain säätämään ja ylläpitämään verenpainetta, emättimen sävyä, sykettä, hengitystä ja sydämen supistumiskykyä. Vaikka molemmat järjestelmät toimivat ylläpitääkseen homeostaasia, sympaattista järjestelmää voidaan pitää nopeana reagoivana ja mobilisoivana järjestelmänä, kun taas parasympaattinen on hitaammin aktivoituva ja vaimentava järjestelmä.

Sen sijaan, että ANS mitataan suoraan keskus- tai ääreishermostosta invasiivisten implanttien avulla, on mahdollista tallentaa fysiologisia signaaleja noninvasiivisen kliinisen testauksen edistymisen ansiosta. Laboratoriot pystyvät testaamaan autonomista toimintaa ja luottamaan hyväksyttyjen, ei-invasiivisten testien paristoihin. American Academy of Neurologyn (AAN) mukaan autonomisen testauksen standarditekniikoihin kuuluu sykkeen ja verenpaineen vaihtelun mittaaminen syvän hengityksen aikana, kallistuspöytä ja Valsalva-operaatio kardiovagaalisen (parasympaattisen) ja sudomotorisen (sympaattisen) toiminnan arvioimiseksi. On yksinkertaista lisätä rajoitettuihin tarvittaviin laitteisiin (verenpainemansetti, elektrokardiogrammi [EKG]) sisällyttämällä sähköenkefalografia (EEG) aivotoiminnan mittaamiseen, elektromyografia (EMG) lihastoiminnan mittaamiseen ja silmänseurantalasit pupillometrian mittaamiseen tämän akun aikana. . Kaikki ei-invasiiviset signaalit voidaan mitata kontrolloitujen häiriöiden aikana ANS:n luonnehtimiseksi. ANS-toiminnan arviointia käytetään nykyään useilla aloilla, mukaan lukien neurologia, kardiologia, psykologia, psykofysiologia, synnytys, anestesiologia ja psykiatria.

Hermorefleksit säätelevät vasteita sydän- ja verisuonijärjestelmässä, keuhkoissa, maha-suolikanavassa, munuaisissa, maksassa ja endokriinisissä järjestelmissä. Vagushermopohjainen tulehdusrefleksi on erityisen kiinnostava Feinstein Institute for Medical Researchissa, ja sen on osoitettu säätelevän immuunitoimintaa. Hermosto on vuorovaikutuksessa immuunijärjestelmän kanssa tätä reittiä pitkin; Synnynnäisen immuniteetin molekyylivälittäjät aktivoivat afferentteja signaaleja vagushermossa aivorunkoon, joka lähettää efferenttejä signaaleja vagushermoa pitkin säätelemään tulehdusta ja sytokiinien vapautumista. Vagus-hermostimulaation (VNS) on osoitettu vähentävän tulehdusta edistävien sytokiinien tuotantoa ja vapautumista; bioelektronisia laitteita on käytetty prekliinisissä ja pilottikliinisissä tutkimuksissa tulehduksen vähentämiseksi potilailla, joilla on nivelreuma ja Crohnin tauti.

Vagushermon korvahaara tulee vaguksesta ja hermottaa ulkokorvan ihoalueita. Transkutaaninen korvan vagushermon stimulaatio (taVNS) tarjoaa ei-invasiivisen tavan stimuloida vagushermoa ilman leikkausta. Laite koostuu pidikkeestä, joka välittää sähköisiä signaaleja korvarenkaan prosesseihin, ja sitä on käytetty aiemmissa kliinisissä tutkimuksissa useisiin sairauksiin, mukaan lukien refraktaarinen epilepsia, masennus, esidiabetes, tinnitus, muisti, aivohalvaus, suun motoriset toimintahäiriöt ja nivelreuma. niveltulehdus, ja lisätutkimuksia on suunniteltu aivohalvauksen, eteisvärinän ja sydämen vajaatoiminnan hoitoon tai hoitoon. Näissä tutkimuksissa on käytetty erilaisia ​​sähköstimulaatioasetuksia ja -paikkoja; taVNS:n ja vasteiden mekanismia ei tunneta hyvin, samoin kuin stimulaatioparametrien muutosten vaikutuksia ANS:iin.

Viime aikoina koneoppimismallien ja dekoodausalgoritmien soveltaminen mahdollistaa yleisesti käytettyjen fysiologisten signaalien kliinisten mittausten hyödyntämisen, jotta voidaan ymmärtää paremmin autonomisen toiminnan ja dysregulation laajempia ilmiöitä. Tutkimus on keskittynyt biomarkkereihin perustuvien kvantitatiivisten standardien kehittämiseen diagnoosin, ennusteen ja hoidon tehokkuuden arvioiden avuksi. Autonominen data voisi mahdollisesti kaapata objektiivisia mittauksia sairaustiloista, ja koneoppimistekniikoita voidaan käyttää merkityksellisten piirteiden poimimiseen ANS-tasapainon ennustavan mallin luomiseksi. Harjoittelemalla tällaista mallia terveiden, työkykyisten henkilöiden tallennuksiin, tutkijat aikovat karakterisoida ANS-tasapainon ja soveltaa tätä mallia uusiin tietokokonaisuuksiin ja yksilöihin sairauden tilojen diagnosoimiseksi tai ennustamiseksi.

Nykyaikaisia ​​laskennallisen tieteen menetelmiä on käytetty monimutkaisen kliinisen ja kokeellisen datan purkamiseen havaitsemalla malleja, luokittelemalla signaaleja ja poimimalla tietoa kohti uutta tietoa. Signaalinkäsittelytekniikoiden avulla on ollut mahdollista dekoodata vagushermon kautta välitetyt autonomisen hermoston signaalit tunnistamalla vagushermosolujen ryhmät, jotka syttyvät vasteena spesifisten sytokiinien antamiselle. Lisäksi koneoppimista on käytetty kliinisen kivun kvantifiointiin käyttämällä multimodaalisia autonomisia mittareita ja hermokuvausta, ja laajamittaista ambulatorista dataa on käytetty fysiologisten signaalien seurantaan ja monianturimallien kehittämiseen päivittäisen stressin havaitsemiseksi.

Lisäksi tutkijat haluavat tutkia, kuinka vagushermon non-invasiivinen transkutaaninen sähköstimulaatio vaikuttaa näihin mittauksiin. Vagushermon stimulaatio kirurgisesti istutetulla stimulaattorilla säätelee ja estää tulehdusta edistävien sytokiinien vapautumista. Tätä on nyt käytetty menestyksekkäässä kliinisessä tutkimuksessa nivelreuman ja Crohnin taudin hoitoon. Vagushermon ei-invasiivinen transkutaaninen stimulaatio on myös osoittanut lupaavia varhaisia ​​tuloksia, mikä osoittaa, että ei-invasiivisia menetelmiä autonomisen hermoston tietyn osan aktivoimiseksi voidaan käyttää menestyksekkäästi sairauksien hoitoon. Tämän hoidon tehokkuutta osoittavia reaaliaikaisia ​​biomarkkereita ei kuitenkaan ole saatavilla.

Tässä tutkimuksessa kehitetään puitteet lukuisten ei-invasiivisten fysiologisten signaalien dekoodaamiseksi kontrolloidun autonomisen testauksen aikana mallin muodostamiseksi, joka voi kvantifioida ANS-tasapainon sekä taVNS:n vaikutukset järjestelmään terveillä ja toimintakykyisillä yksilöillä. Tästä tutkimuksesta saadut tiedot mahdollistavat kyvyn havaita varhaiset ja merkittävät poikkeamat "normaalista" homeostaasista ja tarjota uusia ei-invasiivisia reaaliaikaisia ​​biomarkkereita, joita voidaan käyttää arvioimaan taudin alkamista tai vakavuutta sekä hoidon tehokkuutta aktivoinnissa. ANS tietyllä tavalla. Pitkällä aikavälillä tämä parantaa nykyisiä hoitoprotokollia ja ehdottaa uusia hoitomahdollisuuksia.