Analisi bioelettronica non invasiva (NIBA)

I biomarcatori che riflettono la presenza o l'intensità della malattia o l'efficacia del trattamento sono fondamentali per i progressi della medicina. I biomarcatori registrati forniscono informazioni sui processi fisiologici regolati dal sistema nervoso autonomo (ANS), che includono la pressione sanguigna, la frequenza cardiaca, la sudorazione e la temperatura corporea. L'ANS ha due divisioni principali: sistemi simpatico e parasimpatico. La maggior parte degli organi riceve input reciproci da entrambi i sistemi per raggiungere l'omeostasi attraverso l'equilibrio del SNA. Questa regolazione avviene senza controllo cosciente (cioè autonomamente). La disregolazione del SNA può verificarsi a seguito di disturbi o lesioni, tra cui diabete, sepsi, lesioni del midollo spinale (SCI), morbo di Parkinson e molte altre condizioni.

Il SNA è la parte del sistema nervoso che regola e integra le funzioni corporee che tipicamente vengono eseguite involontariamente, in particolare gli organi interni tra cui vasi sanguigni, polmoni, pupille, cuore, sudore e ghiandole salivari. Insieme ai sistemi immunologici, controlla e adatta l'omeostasi dell'ambiente interno in base ai cambiamenti nell'ambiente esterno. Disturbi della regolazione autonomica sono stati descritti in una varietà di malattie e disturbi, compresi quelli che colpiscono direttamente il sistema nervoso, come lesioni del midollo spinale e ictus, e quelli che colpiscono altri sistemi di organi, come sepsi e infezioni, artrite reumatoide, morbo di Crohn malattia, diabete mellito e numerose condizioni cardiache. Questa disregolazione si manifesta in modo diverso per ciascuna di queste condizioni, anche in modo incoerente tra i pazienti, e il significato dei sintomi dovuti alla disfunzione del SNA non è ben compreso.

Il SNA può essere suddiviso in due rami principali: il simpatico e il parasimpatico. Tutti gli organi interni sono innervati da uno o entrambi i sistemi componenti attraverso i condotti principali del SNA, che comprendono il tronco encefalico, il midollo spinale e i nervi cranici, come il nervo vago. I rami funzionano tipicamente in modo opposto e complementare l'uno all'altro; i cambiamenti fisiologici associati al sistema simpatico includono l'accelerazione della frequenza cardiaca, la dilatazione delle pupille e la sudorazione, mentre il sistema parasimpatico rallenta il cuore, abbassa la pressione sanguigna e rilassa i muscoli. Entrambi i sistemi lavorano in tandem per modulare e mantenere la pressione sanguigna, il tono vagale, la frequenza cardiaca, la respirazione e la contrattilità cardiaca. Mentre entrambi i sistemi operano per mantenere l'omeostasi, il sistema simpatico può essere considerato un sistema di risposta rapida e di mobilitazione, mentre il parasimpatico è un sistema attivato più lentamente e smorzante.

Invece di misurare il SNA direttamente dal sistema nervoso centrale o periferico attraverso impianti invasivi, è possibile registrare i segnali fisiologici attraverso i progressi nei test clinici non invasivi. I laboratori sono in grado di testare la funzione autonomica e si affidano a batterie di test accettati e non invasivi. Secondo l'American Academy of Neurology (AAN), le tecniche standard di test autonomo includono la misurazione della frequenza cardiaca e della variabilità della pressione sanguigna durante la respirazione profonda, il tavolo inclinato e la manovra di Valsalva per valutare la funzione cardiovagale (parasimpatica) e sudomotoria (simpatica). È semplice da aggiungere all'attrezzatura limitata necessaria (braccialetto per la pressione sanguigna, elettrocardiogramma [ECG]) includendo l'elettroencefalografia (EEG) per misurare l'attività cerebrale, l'elettromiografia (EMG) per misurare l'attività muscolare e gli occhiali per il rilevamento degli occhi per misurare la pupillometria durante questa batteria . Tutti i segnali non invasivi possono essere misurati durante perturbazioni controllate per caratterizzare il SNA. La valutazione della funzione SNA è ora utilizzata in più discipline, tra cui neurologia, cardiologia, psicologia, psicofisiologia, ostetricia, anestesiologia e psichiatria.

I riflessi neurali controllano le risposte nei sistemi cardiovascolare, polmonare, gastrointestinale, renale, epatico ed endocrino. Il riflesso infiammatorio basato sul nervo vago è di particolare interesse presso il Feinstein Institute for Medical Research e ha dimostrato di regolare la funzione immunitaria. Il sistema nervoso interagisce con il sistema immunitario attraverso questo percorso; i mediatori molecolari dell'immunità innata attivano segnali afferenti nel nervo vago al tronco cerebrale, che invia segnali efferenti lungo il nervo vago per regolare l'infiammazione e il rilascio di citochine. È stato dimostrato che la stimolazione del nervo vago (VNS) riduce la produzione e il rilascio di citochine pro-infiammatorie; dispositivi bioelettronici sono stati utilizzati in studi clinici preclinici e pilota per ridurre l'infiammazione nei pazienti con artrite reumatoide e morbo di Crohn.

Il ramo auricolare del nervo vago deriva dal vago e innerva aree cutanee dell'orecchio esterno. La stimolazione transcutanea del nervo vago auricolare (taVNS) offre un mezzo non invasivo per stimolare il nervo vago senza intervento chirurgico. Il dispositivo è costituito da una clip che fornisce segnali elettrici ai processi del padiglione auricolare ed è stato utilizzato in precedenti studi clinici per molteplici condizioni, tra cui epilessia refrattaria, depressione, pre-diabete, tinnito, memoria, ictus, disfunzione oromotoria e reumatoide artrite, con ulteriori studi pianificati per la terapia o il trattamento di ictus, fibrillazione atriale e insufficienza cardiaca. Questi studi hanno utilizzato una serie di impostazioni e siti di stimolazione elettrica; il meccanismo di taVNS e le risposte non sono ben compresi, così come gli effetti dei cambiamenti nei parametri di stimolazione sull'ANS.

Recentemente, l'applicazione di modelli di apprendimento automatico e algoritmi di decodifica consente di utilizzare misurazioni cliniche comunemente utilizzate di segnali fisiologici per comprendere meglio fenomeni più ampi di funzione autonomica e disregolazione. La ricerca si è concentrata sullo sviluppo di standard quantitativi basati su biomarcatori per facilitare la diagnosi, la prognosi e le stime dell'efficacia del trattamento. I dati autonomici potrebbero potenzialmente acquisire misure oggettive degli stati di malattia e le tecniche di apprendimento automatico possono essere utilizzate per estrarre caratteristiche rilevanti per la costruzione di un modello predittivo dell'equilibrio del SNA. Addestrando un tale modello sulle registrazioni di individui sani e normodotati, i ricercatori intendono caratterizzare l'equilibrio del SNA e quindi applicare questo modello a nuovi set di dati e individui per diagnosticare o prevedere stati di malattia.

I metodi moderni della scienza computazionale sono stati utilizzati per decodificare dati clinici e sperimentali complessi rilevando schemi, classificando segnali ed estraendo informazioni verso nuove conoscenze. Attraverso tecniche di elaborazione del segnale, è stato possibile decodificare i segnali del sistema nervoso autonomo veicolati attraverso il nervo vago identificando gruppi di neuroni vagali che si attivano in risposta alla somministrazione di specifiche citochine. Inoltre, l'apprendimento automatico è stato utilizzato per quantificare il dolore clinico utilizzando metriche autonomiche multimodali e neuroimaging e dati ambulatoriali su larga scala sono stati utilizzati per monitorare i segnali fisiologici e sviluppare modelli multisensoriali per rilevare lo stress nella vita quotidiana.

Inoltre, i ricercatori vogliono esaminare in che modo queste misurazioni sono influenzate dall'uso della stimolazione elettrica transcutanea non invasiva del nervo vago. La stimolazione del nervo vago da parte di uno stimolatore impiantato chirurgicamente regola e sopprime il rilascio di citochine pro-infiammatorie. Questo è stato ora utilizzato in uno studio clinico di successo per il trattamento dell'artrite reumatoide e del morbo di Crohn. Anche la stimolazione transcutanea non invasiva del nervo vago ha mostrato risultati iniziali promettenti, indicando che i metodi non invasivi di attivazione di una parte specifica del sistema nervoso autonomo possono essere utilizzati con successo per trattare la malattia. Tuttavia, i biomarcatori in tempo reale dell'efficacia di questo trattamento non sono disponibili.

Qui, lo studio svilupperà un quadro per decodificare una moltitudine di segnali fisiologici non invasivi durante i test autonomici controllati per formare un modello in grado di quantificare l'equilibrio ANS, nonché gli effetti di taVNS sul sistema, in individui sani e normodotati. I dati derivati ​​da questo studio consentiranno di rilevare deviazioni precoci e significative dall'omeostasi "normale" e di fornire nuovi biomarcatori non invasivi in ​​tempo reale che potrebbero essere utilizzati per valutare l'insorgenza o la gravità della malattia, nonché l'efficacia di una terapia nell'attivazione l'ANS in modo specifico. A lungo termine, ciò migliorerà gli attuali protocolli di trattamento e suggerirà nuove opportunità terapeutiche.