Analytique bioélectronique non invasive (NIBA)

Les biomarqueurs qui reflètent la présence ou l'intensité de la maladie, ou l'efficacité du traitement, sont au cœur des avancées médicales. Les biomarqueurs enregistrés fournissent des informations sur les processus physiologiques régulés par le système nerveux autonome (ANS), qui comprennent la pression artérielle, la fréquence cardiaque, la transpiration et la température corporelle. Le SNA comprend deux divisions principales : les systèmes sympathique et parasympathique. La plupart des organes reçoivent une entrée réciproque des deux systèmes pour atteindre l'homéostasie grâce à l'équilibre du SNA. Cette régulation se produit sans contrôle conscient (c'est-à-dire de manière autonome). La dérégulation du SNA peut survenir à la suite de troubles ou de blessures, notamment le diabète, la septicémie, les lésions de la moelle épinière (SCI), la maladie de Parkinson et de nombreuses autres affections.

Le SNA est la partie du système nerveux qui régule et intègre les fonctions corporelles qui fonctionnent généralement involontairement, en particulier les organes internes, notamment les vaisseaux sanguins, les poumons, les pupilles, le cœur, la sueur et les glandes salivaires. Avec les systèmes immunologiques, il contrôle et adapte l'homéostasie de l'environnement interne en fonction des changements de l'environnement externe. Des perturbations de la régulation autonome ont été décrites dans une variété de maladies et de troubles, y compris ceux qui affectent directement le système nerveux, tels que les lésions de la moelle épinière et les accidents vasculaires cérébraux, et ceux qui affectent d'autres systèmes organiques, tels que la septicémie et l'infection, la polyarthrite rhumatoïde, la maladie de Crohn la maladie, le diabète sucré et de nombreuses maladies cardiaques. Cette dérégulation se manifeste différemment pour chacune de ces conditions, même de manière incohérente entre les patients, et l'importance des symptômes dus au dysfonctionnement du SNA n'est pas bien comprise.

Le SNA peut être divisé en deux branches principales : les systèmes sympathique et parasympathique. Tous les organes internes sont innervés par un ou les deux systèmes de composants via les conduits principaux du SNA, qui comprennent le tronc cérébral, la moelle épinière et les nerfs crâniens, tels que le nerf vague. Les branches fonctionnent généralement de manière opposée et complémentaire les unes des autres; les changements physiologiques associés au système sympathique comprennent l'accélération du rythme cardiaque, la dilatation des pupilles et la transpiration, tandis que le système parasympathique ralentit le cœur, abaisse la tension artérielle et détend les muscles. Les deux systèmes fonctionnent en tandem pour moduler et maintenir la tension artérielle, le tonus vagal, la fréquence cardiaque, la respiration et la contractilité cardiaque. Alors que les deux systèmes fonctionnent pour maintenir l'homéostasie, le système sympathique peut être considéré comme un système de réponse et de mobilisation rapide, tandis que le parasympathique est un système activé et amorti plus lentement.

Au lieu de mesurer le SNA directement à partir du système nerveux central ou périphérique via des implants invasifs, il est possible d'enregistrer des signaux physiologiques grâce aux progrès des tests cliniques non invasifs. Les laboratoires sont capables de tester la fonction autonome et s'appuient sur des batteries de tests acceptés et non invasifs. Selon l'American Academy of Neurology (AAN), les techniques standard de test autonome comprennent la mesure de la variabilité de la fréquence cardiaque et de la pression artérielle pendant la respiration profonde, la table basculante et la manœuvre de Valsalva pour évaluer la fonction cardio-vagale (parasympathique) et sudomotrice (sympathique). Il est simple d'ajouter au matériel limité nécessaire (manchette de pression artérielle, électrocardiogramme [ECG]) en incluant l'électroencéphalographie (EEG) pour mesurer l'activité cérébrale, l'électromyographie (EMG) pour mesurer l'activité musculaire et des lunettes de suivi oculaire pour mesurer la pupillométrie pendant cette batterie. . Tous les signaux non invasifs peuvent être mesurés lors de perturbations contrôlées pour caractériser le SNA. L'évaluation de la fonction ANS est maintenant utilisée dans plusieurs disciplines, notamment la neurologie, la cardiologie, la psychologie, la psychophysiologie, l'obstétrique, l'anesthésiologie et la psychiatrie.

Les réflexes neuronaux contrôlent les réponses des systèmes cardiovasculaire, pulmonaire, gastro-intestinal, rénal, hépatique et endocrinien. Le réflexe inflammatoire basé sur le nerf vague est particulièrement intéressant à l'Institut Feinstein pour la recherche médicale et il a été démontré qu'il régule la fonction immunitaire. Le système nerveux interagit avec le système immunitaire par cette voie ; les médiateurs moléculaires de l'immunité innée activent des signaux afférents dans le nerf vague vers le tronc cérébral, qui envoie des signaux efférents dans le nerf vague pour réguler l'inflammation et la libération de cytokines. Il a été démontré que la stimulation du nerf vague (VNS) diminue la production et la libération de cytokines pro-inflammatoires ; des dispositifs bioélectroniques ont été utilisés dans des essais cliniques précliniques et pilotes pour réduire l'inflammation chez les patients atteints de polyarthrite rhumatoïde et de la maladie de Crohn.

La branche auriculaire du nerf vague provient du nerf vague et innerve les zones cutanées de l'oreille externe. La stimulation transcutanée du nerf vague auriculaire (taVNS) offre un moyen non invasif de stimuler le nerf vague sans intervention chirurgicale. L'appareil se compose d'un clip qui fournit des signaux électriques aux processus de l'oreillette, et il a été utilisé dans des études cliniques antérieures pour de multiples conditions, y compris l'épilepsie réfractaire, la dépression, le pré-diabète, les acouphènes, la mémoire, les accidents vasculaires cérébraux, les dysfonctionnements oromoteurs et rhumatoïdes. l'arthrite, avec des études supplémentaires prévues pour la thérapie ou le traitement des accidents vasculaires cérébraux, de la fibrillation auriculaire et de l'insuffisance cardiaque. Ces études ont utilisé une gamme de paramètres et de sites de stimulation électrique ; le mécanisme de taVNS et les réponses ne sont pas bien compris, ainsi que les effets des changements dans les paramètres de stimulation sur le SNA.

Récemment, l'application de modèles d'apprentissage automatique et d'algorithmes de décodage permet d'utiliser des mesures cliniques couramment utilisées des signaux physiologiques pour mieux comprendre les phénomènes plus larges de la fonction autonome et de la dérégulation. La recherche s'est concentrée sur l'élaboration de normes quantitatives basées sur des biomarqueurs pour faciliter le diagnostic, le pronostic et les estimations de l'efficacité du traitement. Les données autonomes pourraient potentiellement capturer des mesures objectives des états pathologiques, et des techniques d'apprentissage automatique peuvent être utilisées pour extraire des caractéristiques pertinentes en vue de construire un modèle prédictif de l'équilibre du SNA. En entraînant un tel modèle sur des enregistrements d'individus sains et valides, les chercheurs prévoient de caractériser l'équilibre du SNA, puis d'appliquer ce modèle à de nouveaux ensembles de données et à de nouveaux individus pour diagnostiquer ou prédire des états pathologiques.

Les méthodes modernes de la science informatique ont été utilisées pour décoder des données cliniques et expérimentales complexes en détectant des modèles, en classant des signaux et en extrayant des informations vers de nouvelles connaissances. Grâce à des techniques de traitement du signal, il a été possible de décoder les signaux du système nerveux autonome transmis par le nerf vague en identifiant des groupes de neurones vagaux qui se déclenchent en réponse à l'administration de cytokines spécifiques. De plus, l'apprentissage automatique a été utilisé pour quantifier la douleur clinique à l'aide de mesures autonomes multimodales et de la neuroimagerie, et des données ambulatoires à grande échelle ont été utilisées pour surveiller les signaux physiologiques et développer des modèles multi-capteurs pour détecter le stress dans la vie quotidienne.

De plus, les chercheurs veulent examiner comment ces mesures sont affectées par l'utilisation de la stimulation électrique transcutanée non invasive du nerf vague. La stimulation du nerf vague par un stimulateur implanté chirurgicalement régule et supprime la libération de cytokines pro-inflammatoires. Cela a maintenant été utilisé dans un essai clinique réussi pour traiter la polyarthrite rhumatoïde et la maladie de Crohn. La stimulation transcutanée non invasive du nerf vague a également montré des résultats précoces prometteurs, indiquant que des méthodes non invasives d'activation d'une partie spécifique du système nerveux autonome peuvent être utilisées avec succès pour traiter la maladie. Cependant, les biomarqueurs en temps réel de l'efficacité de ce traitement ne sont pas disponibles.

Ici, l'étude développera un cadre pour décoder une multitude de signaux physiologiques non invasifs lors de tests autonomes contrôlés pour former un modèle qui peut quantifier l'équilibre ANS, ainsi que les effets de taVNS sur le système, chez des individus sains et valides. Les données dérivées de cette étude permettront de détecter des écarts précoces et significatifs par rapport à l'homéostasie "normale" et de fournir de nouveaux biomarqueurs non invasifs en temps réel qui pourraient être utilisés pour évaluer l'apparition ou la gravité de la maladie, ainsi que l'efficacité d'une thérapie dans l'activation le SNA d'une manière spécifique. A terme, cela permettra d'améliorer les protocoles de traitement actuels et de proposer de nouvelles opportunités thérapeutiques.