Niet-invasieve bio-elektronische analyse (NIBA)

Biomarkers die de aanwezigheid of intensiteit van de ziekte of de effectiviteit van de behandeling weerspiegelen, staan ​​centraal in de medische vooruitgang. Geregistreerde biomarkers geven informatie over fysiologische processen die worden gereguleerd door het autonome zenuwstelsel (ANS), waaronder bloeddruk, hartslag, zweten en lichaamstemperatuur. De ANS heeft twee hoofdafdelingen: sympathische en parasympathische systemen. De meeste organen ontvangen wederzijdse input van beide systemen om homeostase te bereiken via ANS-balans. Deze regulering vindt plaats zonder bewuste controle (d.w.z. autonoom). Ontregeling van de AZS kan optreden als gevolg van aandoeningen of verwondingen, waaronder diabetes, sepsis, ruggenmergletsel (SCI), de ziekte van Parkinson en vele andere aandoeningen.

Het AZS is het deel van het zenuwstelsel dat lichaamsfuncties reguleert en integreert die doorgaans onwillekeurig werken, met name interne organen zoals bloedvaten, longen, pupillen, hart, zweet en speekselklieren. Samen met immunologische systemen controleert en past het de homeostase van de interne omgeving aan op basis van veranderingen in de externe omgeving. Verstoringen in de autonome regulatie zijn beschreven bij een verscheidenheid aan ziekten en aandoeningen, waaronder aandoeningen die het zenuwstelsel rechtstreeks aantasten, zoals ruggenmergletsels en beroertes, en aandoeningen die andere orgaansystemen aantasten, zoals sepsis en infectie, reumatoïde artritis, de ziekte van Crohn. ziekte, diabetes mellitus en tal van hartaandoeningen. Deze ontregeling manifesteert zich anders voor elk van deze aandoeningen, zelfs inconsistent bij patiënten, en de betekenis van symptomen als gevolg van AZS-disfunctie wordt niet goed begrepen.

De ANS kan worden onderverdeeld in twee hoofdtakken: de sympathische en parasympathische systemen. Alle interne organen worden geïnnerveerd door een of beide componentsystemen via de ANS-hoofdkanalen, waaronder de hersenstam, het ruggenmerg en de hersenzenuwen, zoals de nervus vagus. De takken functioneren typisch tegengesteld en complementair aan elkaar; fysiologische veranderingen die verband houden met het sympathische systeem zijn onder meer een versnelde hartslag, verwijde pupillen en transpiratie, terwijl het parasympathische systeem het hart vertraagt, de bloeddruk verlaagt en de spieren ontspant. Beide systemen werken samen om de bloeddruk, de vagale tonus, de hartslag, de ademhaling en de contractiliteit van het hart te moduleren en in stand te houden. Hoewel beide systemen werken om de homeostase te behouden, kan het sympathische systeem worden beschouwd als een snel reagerend en mobiliserend systeem, terwijl het parasympathische systeem een ​​langzamer geactiveerd en dempend systeem is.

In plaats van het AZS rechtstreeks vanuit het centrale of perifere zenuwstelsel te meten via invasieve implantaten, is het mogelijk om fysiologische signalen vast te leggen door vooruitgang in niet-invasieve klinische testen. Laboratoria zijn in staat om de autonome functie te testen en vertrouwen op batterijen van geaccepteerde, niet-invasieve tests. Volgens de American Academy of Neurology (AAN) omvatten standaardtechnieken voor autonoom testen het meten van hartslag- en bloeddrukvariabiliteit tijdens diepe ademhaling, kanteltafel en de Valsalva-manoeuvre om de cardiovagale (parasympathische) en sudomotorische (sympathische) functie te beoordelen. Het is eenvoudig om aan de beperkte benodigde apparatuur (bloeddrukmanchet, elektrocardiogram [ECG]) toe te voegen door elektro-encefalografie (EEG) toe te voegen om de hersenactiviteit te meten, elektromyografie (EMG) om spieractiviteit te meten, en eye tracking-brillen om pupillometrie te meten tijdens deze batterij . Alle niet-invasieve signalen kunnen worden gemeten tijdens gecontroleerde verstoringen om de ANS te karakteriseren. Beoordeling van de ANS-functie wordt nu gebruikt in meerdere disciplines, waaronder neurologie, cardiologie, psychologie, psychofysiologie, verloskunde, anesthesiologie en psychiatrie.

Neurale reflexen regelen reacties in de cardiovasculaire, pulmonale, gastro-intestinale, nier-, lever- en endocriene systemen. De op de nervus vagus gebaseerde ontstekingsreflex is van bijzonder belang bij het Feinstein Institute for Medical Research en er is aangetoond dat het de immuunfunctie reguleert. Het zenuwstelsel interageert via deze route met het immuunsysteem; moleculaire bemiddelaars van aangeboren immuniteit activeren afferente signalen in de nervus vagus naar de hersenstam, die efferente signalen door de nervus vagus stuurt om ontsteking en cytokine-afgifte te reguleren. Van nervus vagusstimulatie (VNS) is aangetoond dat het de productie en afgifte van pro-inflammatoire cytokines vermindert; bio-elektronische apparaten zijn gebruikt in preklinische en pilot-klinische onderzoeken om ontstekingen te verminderen bij patiënten met reumatoïde artritis en de ziekte van Crohn.

De auriculaire tak van de nervus vagus komt uit de nervus vagus en innerveert huidgebieden van het uitwendige oor. Transcutane auriculaire nervus vagusstimulatie (taVNS) biedt een niet-invasieve manier om de nervus vagus te stimuleren zonder chirurgische tussenkomst. Het apparaat bestaat uit een clip die elektrische signalen levert aan processen van de oorschelp en is in eerdere klinische onderzoeken gebruikt voor meerdere aandoeningen, waaronder refractaire epilepsie, depressie, pre-diabetes, tinnitus, geheugen, beroerte, oromotorische disfunctie en reumatoïde artritis. artritis, met aanvullende onderzoeken gepland voor therapie of behandeling van beroerte, atriumfibrilleren en hartfalen. Bij deze onderzoeken is gebruik gemaakt van een reeks instellingen en locaties voor elektrische stimulatie; het mechanisme van taVNS en reacties worden niet goed begrepen, evenals de effecten van veranderingen in stimulatieparameters op ANS.

Onlangs maakt de toepassing van machine learning-modellen en decoderingsalgoritmen het mogelijk om veelgebruikte klinische metingen van fysiologische signalen te gebruiken om bredere fenomenen van autonome functie en ontregeling beter te begrijpen. Onderzoek is gericht geweest op het ontwikkelen van kwantitatieve normen op basis van biomarkers om te helpen bij diagnose, prognose en schattingen van de effectiviteit van de behandeling. Autonome gegevens kunnen mogelijk objectieve metingen van ziektetoestanden vastleggen, en machine learning-technieken kunnen worden gebruikt om relevante kenmerken te extraheren voor het bouwen van een voorspellend model van ANS-balans. Door een dergelijk model te trainen op opnames van gezonde, valide individuen, zijn de onderzoekers van plan om de ANS-balans te karakteriseren en dit model vervolgens toe te passen op nieuwe datasets en individuen om ziektetoestanden te diagnosticeren of te voorspellen.

Moderne methoden van computationele wetenschap zijn gebruikt om complexe klinische en experimentele gegevens te decoderen door patronen te detecteren, signalen te classificeren en informatie te extraheren voor nieuwe kennis. Door middel van signaalverwerkingstechnieken is het mogelijk geweest om signalen van het autonome zenuwstelsel die door de nervus vagus worden overgebracht, te decoderen door groepen vagale neuronen te identificeren die vuren als reactie op de toediening van specifieke cytokines. Daarnaast is machine learning gebruikt om klinische pijn te kwantificeren met behulp van multimodale autonome metrieken en neuroimaging, en zijn grootschalige ambulante gegevens gebruikt om fysiologische signalen te monitoren en multi-sensormodellen te ontwikkelen om stress in het dagelijks leven te detecteren.

Daarnaast willen de onderzoekers onderzoeken hoe deze metingen worden beïnvloed door het gebruik van niet-invasieve transcutane elektrische stimulatie van de nervus vagus. Stimulatie van de nervus vagus door een chirurgisch geïmplanteerde stimulator reguleert en onderdrukt pro-inflammatoire cytokine-afgifte. Dit is nu gebruikt in een succesvol klinisch onderzoek om reumatoïde artritis en de ziekte van Crohn te behandelen. Niet-invasieve transcutane stimulatie van de nervus vagus heeft ook veelbelovende vroege resultaten opgeleverd, wat aangeeft dat niet-invasieve methoden voor het activeren van een specifiek deel van het autonome zenuwstelsel met succes kunnen worden gebruikt om ziekten te behandelen. Real-time biomarkers van de werkzaamheid van deze behandeling zijn echter niet beschikbaar.

Hier zal de studie een raamwerk ontwikkelen om een ​​groot aantal niet-invasieve fysiologische signalen te decoderen tijdens gecontroleerde autonome tests om een ​​model te vormen dat de ANS-balans kan kwantificeren, evenals de effecten van taVNS op het systeem, bij gezonde en valide individuen. Gegevens die uit deze studie zijn afgeleid, zullen het mogelijk maken om vroege en significante afwijkingen van "normale" homeostase te detecteren en nieuwe niet-invasieve real-time biomarkers te bieden die kunnen worden gebruikt om het begin of de ernst van de ziekte te beoordelen, evenals de werkzaamheid van een therapie bij het activeren van de ANS op een specifieke manier. Op de lange termijn zal dit de huidige behandelprotocollen verbeteren en nieuwe therapeutische mogelijkheden suggereren.