非侵襲的生体電子分析 (NIBA)

疾患の存在や重症度、または治療効果を反映するバイオマーカーは、医療の進歩の中心です。 記録されたバイオマーカーは、血圧、心拍数、発汗、体温など、自律神経系 (ANS) によって調節される生理学的プロセスに関する情報を提供します。 ANS には、交感神経系と副交感神経系の 2 つの主要な部門があります。 ほとんどの臓器は、ANS バランスを介して恒常性を達成するために、両方のシステムから相互入力を受け取ります。 この規制は、意識的な制御なしで (つまり、自律的に) 発生します。 ANS の調節不全は、糖尿病、敗血症、脊髄損傷 (SCI)、パーキンソン病、および他の多くの状態を含む障害または損傷の結果として発生する可能性があります。

ANS は、特に血管、肺、瞳孔、心臓、汗、唾液腺などの内臓を含む、通常は不随意に実行される身体機能を調節および統合する神経系の一部です。 免疫システムとともに、外部環境の変化に基づいて内部環境の恒常性を制御し、適応させます。 自律神経調節の障害は、脊髄損傷や脳卒中などの神経系に直接影響を与えるものや、敗血症や感染症、関節リウマチ、クローン病などの他の臓器系に影響を与えるものなど、さまざまな疾患や障害で説明されています。病気、真性糖尿病、および多くの心臓病。 この調節不全は、患者間で一貫性がなくても、これらの状態ごとに異なる形で現れ、ANS 機能障害による症状の重要性は十分に理解されていません。

ANS は、交感神経系と副交感神経系の 2 つの主要な枝に分けることができます。 すべての内臓は、脳幹、脊髄、および迷走神経などの脳神経を含む ANS 主導管を介して、一方または両方のコンポーネント システムによって神経支配されます。 ブランチは通常、反対に機能し、互いに補完します。交感神経系に関連する生理学的変化には、心拍数の加速、瞳孔の拡張、発汗などがありますが、副交感神経系は心臓の動きを遅くし、血圧を下げ、筋肉を弛緩させます。 両方のシステムが連携して、血圧、迷走神経緊張、心拍数、呼吸、および心臓の収縮性を調節および維持します。 どちらのシステムも恒常性を維持するために機能しますが、交感神経系は迅速な反応と動員システムと見なすことができ、副交感神経系はよりゆっくりと活性化され、減衰するシステムです。

侵襲的なインプラントを介して中枢神経系または末梢神経系から ANS を直接測定する代わりに、非侵襲的な臨床試験の進歩により生理学的信号を記録することが可能です。 研究所は、自律神経機能をテストし、受け入れられた非侵襲的テストのバッテリーに依存することができます。 米国神経学会 (AAN) によると、自律神経検査の標準的な手法には、深呼吸中の心拍数と血圧変動の測定、ティルト テーブル、および心迷走神経 (副交感神経) および発汗 (交感神経) 機能を評価するためのバルサルバ法が含まれます。 限られた必要な機器 (血圧カフ、心電図 [ECG]) に、脳活動を測定する脳波計 (EEG)、筋肉活動を測定する筋電計 (EMG)、およびこのバッテリ中に瞳孔測定を測定するアイ トラッキング グラスを追加するのは簡単です。 . すべての非侵襲的信号は、制御された摂動中に測定して ANS を特徴付けることができます。 ANS 機能の評価は現在、神経学、心臓病学、心理学、精神生理学、産科、麻酔学、精神医学など、複数の分野で使用されています。

神経反射は、心血管、肺、胃腸、腎臓、肝臓、および内分泌系の反応を制御します。 迷走神経に基づく炎症反射は、Feinstein Institute for Medical Research で特に注目されており、免疫機能を調節することが示されています。 神経系は、この経路によって免疫系と相互作用します。自然免疫の分子メディエーターは、脳幹への迷走神経の求心性シグナルを活性化します。脳幹は、迷走神経に求心性シグナルを送り、炎症とサイトカインの放出を調節します。 迷走神経刺激 (VNS) は、炎症誘発性サイトカインの産生と放出を減少させることが示されています。生体電子デバイスは、関節リウマチやクローン病患者の炎症を軽減するために、前臨床およびパイロット臨床試験で使用されてきました。

迷走神経の耳介枝は迷走神経から来て、外耳の皮膚領域を神経支配します。 経皮的耳介迷走神経刺激 (taVNS) は、外科的介入なしで迷走神経を刺激する非侵襲的な手段を提供します。 このデバイスは、耳介のプロセスに電気信号を供給するクリップで構成されており、難治性てんかん、うつ病、糖尿病前症、耳鳴り、記憶、脳卒中、口腔運動機能障害、リウマチなど、複数の状態に対する以前の臨床研究で使用されています。関節炎、脳卒中、心房細動、および心不全の治療または治療に関する追加の研究が計画されています。 これらの研究では、さまざまな電気刺激の設定と部位が使用されています。 taVNS と応答のメカニズム、および ANS に対する刺激パラメーターの変化の影響はよくわかっていません。

最近では、機械学習モデルと解読アルゴリズムの適用により、一般的に使用される生理学的信号の臨床測定を利用して、自律神経機能と調節不全のより広範な現象をよりよく理解することができます。 研究は、診断、予後、および治療効果の推定を支援するために、バイオマーカーに基づく定量的基準の開発に重点を置いてきました。 自律神経データは、疾患状態の客観的な尺度を捉えることができる可能性があり、機械学習技術を使用して関連する特徴を抽出し、ANS バランスの予測モデルを構築することができます。 このようなモデルを健康で健常な個人からの記録でトレーニングすることにより、研究者は ANS バランスを特徴付け、このモデルを新しいデータ セットと個人に適用して病状を診断または予測することを計画しています。

計算科学の最新の方法は、パターンを検出し、信号を分類し、新しい知識に向けて情報を抽出することにより、複雑な臨床および実験データを解読するために使用されてきました。 信号処理技術により、特定のサイトカインの投与に応答して発火する迷走神経ニューロンのグループを特定することにより、迷走神経を介して伝達される自律神経系信号を解読することが可能になりました。 さらに、機械学習は、マルチモーダルな自律神経メトリクスとニューロ イメージングを使用して臨床的な痛みを定量化するために使用されています。また、大規模な外来データを使用して生理学的信号を監視し、マルチセンサー モデルを開発して日常生活のストレスを検出しています。

さらに、調査員は、これらの測定値が迷走神経の非侵襲的な経皮的電気刺激の使用によってどのように影響を受けるかを調べたいと考えています。 外科的に埋め込まれた刺激装置による迷走神経の刺激は、炎症誘発性サイトカインの放出を調節および抑制します。 これは現在、関節リウマチとクローン病の治療に成功した臨床試験で使用されています. 迷走神経の非侵襲的経皮刺激も有望な初期結果を示しており、自律神経系の特定の部分を活性化する非侵襲的方法を使用して疾患をうまく治療できることを示しています。 ただし、この治療の有効性のリアルタイム バイオ マーカーは利用できません。

ここでは、この研究では、制御された自律神経テスト中に多数の非侵襲的な生理学的信号をデコードして、健康で健常な個人の ANS バランスとシステムに対する taVNS の影響を定量化できるモデルを形成するためのフレームワークを開発します。 この研究から得られたデータは、「通常の」ホメオスタシスからの早期かつ重大な逸脱を検出する能力を可能にし、疾患の発症または重症度、ならびに活性化における治療の有効性を評価するために使用できる新しい非侵襲的リアルタイムバイオマーカーを提供します特定の方法でANS。 長期的には、これにより現在の治療プロトコルが改善され、新しい治療の機会が示唆されます。