Nem invazív bioelektronikai elemzés (NIBA)

A betegség jelenlétét vagy intenzitását, illetve a kezelés hatékonyságát tükröző biomarkerek központi szerepet játszanak az orvostudomány fejlődésében. A rögzített biomarkerek információt nyújtanak az autonóm idegrendszer (ANS) által szabályozott fiziológiai folyamatokról, beleértve a vérnyomást, a pulzusszámot, az izzadást és a testhőmérsékletet. Az ANS-nek két fő részlege van: szimpatikus és paraszimpatikus rendszerek. A legtöbb szerv kölcsönös bemenetet kap mindkét rendszertől a homeosztázis eléréséhez az ANS egyensúlyon keresztül. Ez a szabályozás tudatos kontroll nélkül történik (azaz autonóm). Az ANS szabályozási zavara rendellenességek vagy sérülések eredményeként fordulhat elő, beleértve a cukorbetegséget, a szepszist, a gerincvelői sérüléseket (SCI), a Parkinson-kórt és sok más állapotot.

Az ANS az idegrendszer azon része, amely szabályozza és integrálja a jellemzően önkéntelenül működő testi funkciókat, különösen a belső szerveket, beleértve az ereket, a tüdőt, a pupillákat, a szívet, a verejtéket és a nyálmirigyeket. Az immunrendszerekkel együtt szabályozza és adaptálja a belső környezet homeosztázisát a külső környezet változásai alapján. Az autonóm szabályozás zavarait számos betegségben és rendellenességben leírták, beleértve azokat, amelyek közvetlenül érintik az idegrendszert, mint például a gerincvelő-sérülések és a szélütés, valamint azokat, amelyek más szervrendszereket érintenek, mint például a szepszis és fertőzés, a rheumatoid arthritis, a Crohn-kór. betegségek, diabetes mellitus és számos szívbetegség. Ez a diszreguláció az egyes állapotok mindegyikében eltérően nyilvánul meg, még ha nem is következetesen a betegek között, és az ANS diszfunkció miatti tünetek jelentőségét nem ismerik jól.

Az ANS két nagy ágra osztható: szimpatikus és paraszimpatikus rendszerre. Az összes belső szervet az egyik vagy mindkét komponensrendszer beidegzi az ANS fő vezetékein keresztül, amelyek magukban foglalják az agytörzset, a gerincvelőt és a koponyaidegeket, például a vagus ideget. Az ágak jellemzően egymással szemben és egymást kiegészítve működnek; a szimpatikus rendszerhez kapcsolódó fiziológiai változások közé tartozik a pulzusgyorsulás, a pupillák kitágulása és az izzadás, míg a paraszimpatikus rendszer lassítja a szívműködést, csökkenti a vérnyomást és ellazítja az izmokat. Mindkét rendszer párhuzamosan modulálja és fenntartja a vérnyomást, a vagus tónusát, a pulzusszámot, a légzést és a szív összehúzódását. Míg mindkét rendszer a homeosztázis fenntartására működik, a szimpatikus rendszer egy gyors reagáló és mobilizáló rendszernek tekinthető, míg a paraszimpatikus rendszer egy lassabban aktiválódó és csillapító rendszer.

Ahelyett, hogy közvetlenül a központi vagy perifériás idegrendszerből mérnék az ANS-t invazív implantátumokkal, lehetséges fiziológiai jelek rögzítése a nem invazív klinikai tesztelés fejlődésével. A laboratóriumok képesek tesztelni az autonóm funkciót, és az elfogadott, nem invazív tesztek akkumulátoraira támaszkodnak. Az Amerikai Neurológiai Akadémia (AAN) szerint az autonóm tesztelés standard technikái közé tartozik a szívfrekvencia és a vérnyomás változékonyságának mérése a mély légzés során, a billenőasztal, valamint a Valsalva manőver a kardiovagális (paraszimpatikus) és a sudomotoros (szimpatikus) funkció értékelésére. Egyszerűen kiegészíthető a korlátozottan szükséges felszerelés (vérnyomás mandzsetta, elektrokardiogram [EKG]) az agyi aktivitás mérésére szolgáló elektroencefalográfia (EEG), az izomtevékenység mérésére elektromiográfia (EMG) és a szemkövető szemüveg a pupillametria mérésére az akkumulátor működése közben. . Az összes nem invazív jel mérhető szabályozott perturbációk során az ANS jellemzésére. Az ANS-funkció értékelését ma már számos tudományágban használják, beleértve a neurológiát, a kardiológiát, a pszichológiát, a pszichofiziológiát, a szülészetet, az aneszteziológiát és a pszichiátriát.

Az idegi reflexek szabályozzák a szív- és érrendszeri, tüdő-, gasztrointesztinális, vese-, máj- és endokrin rendszer válaszait. A vagus ideg alapú gyulladásos reflex különösen érdekes a Feinstein Orvosi Kutatóintézetben, és kimutatták, hogy szabályozza az immunműködést. Az idegrendszer ezen az úton lép kölcsönhatásba az immunrendszerrel; A veleszületett immunitás molekuláris közvetítői aktiválják az afferens jeleket a vagus idegben az agytörzs felé, amely efferens jeleket küld le a vagus idegben, hogy szabályozza a gyulladást és a citokin felszabadulását. Kimutatták, hogy a vagus idegstimuláció (VNS) csökkenti a gyulladást elősegítő citokinek termelését és felszabadulását; bioelektronikus eszközöket használtak preklinikai és kísérleti klinikai vizsgálatokban a rheumatoid arthritisben és a Crohn-betegségben szenvedő betegek gyulladásának csökkentésére.

A vagus ideg aurikuláris ága a vagusból származik, és beidegzi a külső fül bőrterületeit. A transzkután auricularis vagus ideg stimuláció (taVNS) nem invazív eszközt kínál a vagus ideg stimulálására sebészeti beavatkozás nélkül. Az eszköz egy kapocsból áll, amely elektromos jeleket szolgáltat a fülkagyló folyamataihoz, és korábbi klinikai vizsgálatokban többféle állapot kezelésére használták, beleértve a refrakter epilepsziát, a depressziót, a cukorbetegség előtti állapotot, a fülzúgást, a memóriát, a stroke-ot, az oromotoros diszfunkciót és a reumás betegségeket. arthritis, a stroke, a pitvarfibrilláció és a szívelégtelenség terápiájára vagy kezelésére tervezett további vizsgálatokkal. Ezek a vizsgálatok számos elektromos stimulációs beállítást és helyszínt használtak; a taVNS és a válaszok mechanizmusa nem teljesen ismert, valamint a stimulációs paraméterek változásának hatása az ANS-re.

A közelmúltban a gépi tanulási modellek és dekódoló algoritmusok alkalmazása lehetővé teszi a fiziológiai jelek általánosan használt klinikai mérésének felhasználását az autonóm funkció és a diszreguláció szélesebb körű jelenségeinek jobb megértése érdekében. A kutatás a biomarkereken alapuló kvantitatív standardok kidolgozására összpontosított, amelyek segítik a diagnózist, a prognózist és a kezelés hatékonyságának becslését. Az autonóm adatok potenciálisan rögzíthetik a betegségi állapotok objektív mérését, és a gépi tanulási technikák felhasználhatók a releváns jellemzők kinyerésére az ANS-egyensúly prediktív modelljének felépítéséhez. Egy ilyen modell egészséges, ép egyének felvételein való betanításával a kutatók az ANS egyensúlyának jellemzését tervezik, majd ezt a modellt új adatkészletekre és egyénekre alkalmazzák a betegségi állapotok diagnosztizálására vagy előrejelzésére.

A számítástechnika modern módszereit alkalmazták összetett klinikai és kísérleti adatok dekódolására minták észlelésével, jelek osztályozásával és információk kinyerésével az új ismeretek felé. A jelfeldolgozási technikák révén lehetővé vált a vagus idegrendszeren keresztül továbbított autonóm idegrendszeri jelek dekódolása olyan vagus neuronok csoportjainak azonosításával, amelyek specifikus citokinek beadására válaszul tüzelnek. Ezenkívül gépi tanulást alkalmaztak a klinikai fájdalom számszerűsítésére multimodális autonóm metrikák és neuroimaging segítségével, és nagyszabású ambuláns adatokat használtak a fiziológiai jelek nyomon követésére és több szenzoros modellek kidolgozására a mindennapi stressz kimutatására.

Ezenkívül a kutatók meg akarják vizsgálni, hogyan befolyásolja ezeket a méréseket a vagus ideg nem invazív transzkután elektromos stimulációja. A vagus ideg stimulációja sebészetileg beültetett stimulátorral szabályozza és elnyomja a gyulladást elősegítő citokin felszabadulását. Ezt most egy sikeres klinikai vizsgálatban alkalmazták a rheumatoid arthritis és a Crohn-betegség kezelésére. A vagus ideg non-invazív transzkután stimulációja szintén ígéretes korai eredményeket mutatott, ami azt jelzi, hogy az autonóm idegrendszer egy meghatározott részének aktiválásának non-invazív módszerei sikeresen alkalmazhatók betegségek kezelésére. Ennek a kezelésnek a hatékonyságáról azonban nem állnak rendelkezésre valós idejű biomarkerek.

Itt a tanulmány keretrendszert fog kidolgozni számos nem invazív fiziológiai jel dekódolására az ellenőrzött autonóm tesztelés során, hogy olyan modellt alkossanak, amely számszerűsítheti az ANS egyensúlyát, valamint a taVNS rendszerre gyakorolt ​​hatásait egészséges és ép egyénekben. Az ebből a tanulmányból származó adatok lehetővé teszik a „normális” homeosztázistól való korai és jelentős eltérések kimutatását, és új, nem invazív, valós idejű biomarkereket biztosítanak, amelyek felhasználhatók a betegség kezdetének vagy súlyosságának, valamint a terápia hatékonyságának értékelésére az aktiválásban. az ANS-t meghatározott módon. Hosszú távon ez javítani fogja a jelenlegi kezelési protokollokat, és új terápiás lehetőségeket javasol.