비침습 생체 전자 분석 (NIBA)

질병의 존재나 강도 또는 치료 효능을 반영하는 바이오마커는 의학 발전의 핵심입니다. 기록된 바이오마커는 혈압, 심박수, 발한 및 체온을 포함하는 자율 신경계(ANS)에 의해 조절되는 생리적 과정에 대한 정보를 제공합니다. ANS에는 교감신경계와 부교감신경계의 두 가지 주요 부분이 있습니다. 대부분의 기관은 ANS 균형을 통해 항상성을 달성하기 위해 두 시스템에서 상호 입력을 받습니다. 이 조절은 의식적인 통제 없이(즉, 자율적으로) 발생합니다. ANS의 조절 장애는 당뇨병, 패혈증, 척수 손상(SCI), 파킨슨병 및 기타 여러 조건을 포함한 장애 또는 손상의 결과로 발생할 수 있습니다.

ANS는 일반적으로 비자발적으로 실행되는 신체 기능, 특히 혈관, 폐, 동공, 심장, 땀샘 및 침샘을 포함한 내부 장기를 조절하고 통합하는 신경계의 일부입니다. 면역 시스템과 함께 외부 환경의 변화에 ​​따라 내부 환경의 항상성을 제어하고 적응시킵니다. 자율신경 조절 장애는 척수 손상 및 뇌졸중과 같은 신경계에 직접 영향을 미치는 질병과 패혈증 및 감염, 류마티스 관절염, 크론병과 같은 다른 장기 시스템을 괴롭히는 질병 및 장애를 포함하여 다양한 질병 및 장애에서 설명되었습니다. 질병, 당뇨병 및 수많은 심장 상태. 이 조절 장애는 이러한 각 조건에 따라 다르게 나타나고 심지어 환자 간에도 일관성이 없으며 ANS 기능 장애로 인한 증상의 중요성은 잘 이해되지 않습니다.

자율신경계는 크게 교감신경계와 부교감신경계로 나눌 수 있습니다. 모든 내부 장기는 뇌간, 척수 및 미주 신경과 같은 뇌신경을 포함하는 ANS 주 도관을 통해 하나 또는 두 구성 요소 시스템에 의해 자극됩니다. 분기는 일반적으로 서로 반대이고 상호보완적으로 기능합니다. 교감신경계와 관련된 생리학적 변화에는 심장 박동수 증가, 동공 확장 및 발한이 포함되며, 부교감신경계는 심장을 느리게 하고 혈압을 낮추며 근육을 이완시킵니다. 두 시스템 모두 혈압, 미주 신경 긴장도, 심박수, 호흡 및 심장 수축성을 조절하고 유지하기 위해 함께 작동합니다. 두 시스템 모두 항상성을 유지하기 위해 작동하지만 교감신경계는 빠른 반응 및 동원 시스템으로 간주될 수 있는 반면 부교감신경계는 보다 느리게 활성화되고 약화되는 시스템입니다.

침습적 임플란트를 통해 중추 또는 말초 신경계에서 직접 ANS를 측정하는 대신 비침습적 임상 테스트의 발전을 통해 생리학적 신호를 기록할 수 있습니다. 실험실은 자율 기능을 테스트할 수 있으며 승인된 비침습적 테스트 배터리에 의존할 수 있습니다. American Academy of Neurology(AAN)에 따르면 자율신경 검사의 표준 기술에는 심호흡 중 심박수 및 혈압 변동성 측정, 기울기 테이블, 심장 미주신경(부교감신경) 및 발한운동(교감신경) 기능을 평가하기 위한 Valsalva 기동이 포함됩니다. 이 배터리 동안 뇌 활동을 측정하는 뇌파 검사(EEG), 근육 활동을 측정하는 근전도 검사(EMG), 동공 측정을 측정하는 안구 추적 안경을 포함하여 제한된 필수 장비(혈압 커프, 심전도[ECG])에 추가하는 것은 간단합니다. . ANS를 특성화하기 위해 제어된 섭동 중에 모든 비침습적 신호를 측정할 수 있습니다. ANS 기능의 평가는 이제 신경학, 심장학, 심리학, 정신생리학, 산부인과, 마취학 및 정신의학을 포함한 여러 분야에서 사용됩니다.

신경 반사는 심혈관, 폐, 위장, 신장, 간 및 내분비 시스템의 반응을 제어합니다. 미주 신경 기반 염증 반사는 Feinstein Institute for Medical Research에서 특히 관심을 갖고 있으며 면역 기능을 조절하는 것으로 나타났습니다. 신경계는 이 경로를 통해 면역계와 상호 작용합니다. 선천성 면역의 분자 매개체는 염증과 사이토카인 방출을 조절하기 위해 원심성 신호를 미주 신경으로 보내는 뇌간에 대한 미주 신경의 구심성 신호를 활성화합니다. 미주 신경 자극(VNS)은 전 염증성 사이토카인의 생산 및 방출을 감소시키는 것으로 나타났습니다. 생체 전자 장치는 류마티스 관절염 및 크론병 환자의 염증을 줄이기 위해 전임상 및 파일럿 임상 시험에 사용되었습니다.

미주 신경의 귓바퀴 가지(auricular branch)는 미주 신경에서 나오며 외이의 피부 부위를 자극합니다. 경피적 귀 미주 신경 자극(taVNS)은 외과적 개입 없이 미주 신경을 자극하는 비침습적 수단을 제공합니다. 이 장치는 귓바퀴의 과정에 전기 신호를 공급하는 클립으로 구성되어 있으며 난치성 간질, 우울증, 당뇨병 전증, 이명, 기억력, 뇌졸중, 구강 운동 장애 및 류마티스를 포함한 여러 조건에 대한 이전 임상 연구에서 사용되었습니다. 뇌졸중, 심방 세동 및 심부전의 치료 또는 치료를 위한 추가 연구가 계획되어 있습니다. 이러한 연구는 다양한 전기 자극 설정 및 부위를 사용했습니다. taVNS 및 반응의 메커니즘은 잘 이해되지 않으며 ANS에 대한 자극 매개변수의 변화가 미치는 영향도 잘 알려져 있지 않습니다.

최근 기계 학습 모델과 디코딩 알고리즘을 적용하면 일반적으로 사용되는 생리 신호의 임상 측정을 활용하여 자율 기능 및 조절 장애의 광범위한 현상을 더 잘 이해할 수 있습니다. 연구는 진단, 예후 및 치료 효능 추정을 돕기 위해 바이오마커를 기반으로 한 정량적 표준 개발에 중점을 두었습니다. 자율 데이터는 잠재적으로 질병 상태의 객관적인 측정을 캡처할 수 있으며 기계 학습 기술을 사용하여 ANS 균형의 예측 모델을 구축하기 위한 관련 기능을 추출할 수 있습니다. 건강하고 건강한 개인의 기록에 대해 이러한 모델을 교육함으로써 연구원은 ANS 균형을 특성화한 다음 이 모델을 새로운 데이터 세트 및 개인에 적용하여 질병 상태를 진단하거나 예측할 계획입니다.

계산 과학의 현대적인 방법은 패턴을 감지하고 신호를 분류하고 새로운 지식에 대한 정보를 추출하여 복잡한 임상 및 실험 데이터를 해독하는 데 사용되었습니다. 신호 처리 기술을 통해 특정 사이토카인의 투여에 반응하여 발화하는 미주 신경 세포 그룹을 식별함으로써 미주 신경을 통해 전달되는 자율 신경계 신호를 해독하는 것이 가능했습니다. 또한 기계 학습은 다중 모드 자율 측정 및 신경 영상을 사용하여 임상 통증을 정량화하는 데 사용되었으며 대규모 외래 데이터는 생리 신호를 모니터링하고 일상 생활에서 스트레스를 감지하는 다중 센서 모델을 개발하는 데 사용되었습니다.

또한 조사관은 미주 신경의 비침습적 경피적 전기 자극을 사용하여 이러한 측정이 어떻게 영향을 받는지 조사하고자 합니다. 외과적으로 이식된 자극기에 의한 미주 신경의 자극은 전염증성 사이토카인 방출을 조절하고 억제합니다. 이것은 현재 류마티스 관절염과 크론병을 치료하기 위한 성공적인 임상 시험에 사용되었습니다. 미주신경에 대한 비침습적 경피적 자극 또한 유망한 초기 결과를 보여왔으며, 이는 자율신경계의 특정 부분을 활성화하는 비침습적 방법이 질병 치료에 성공적으로 사용될 수 있음을 나타냅니다. 그러나 이 치료의 효능에 대한 실시간 바이오마커는 사용할 수 없습니다.

여기에서 이 연구는 제어된 자율 테스트 중에 다수의 비침습적 생리 신호를 해독하는 프레임워크를 개발하여 건강하고 건강한 개인의 시스템에 대한 taVNS 효과뿐만 아니라 ANS 균형을 정량화할 수 있는 모델을 형성할 것입니다. 이 연구에서 파생된 데이터는 "정상적인" 항상성에서 조기에 상당한 편차를 감지하고 질병 발병 또는 심각도를 평가하는 데 사용할 수 있는 새로운 비침습적 실시간 바이오마커를 제공할 수 있을 뿐만 아니라 활성화에 대한 요법의 효능을 제공할 것입니다. 특정 방식으로 ANS. 장기적으로 이것은 현재 치료 프로토콜을 개선하고 새로운 치료 기회를 제안할 것입니다.