Ikke-invasiv bioelektronisk analyse (NIBA)

Biomarkører som reflekterer sykdomstilstedeværelse eller intensitet, eller behandlingseffektivitet, er sentrale for medisinske fremskritt. Registrerte biomarkører gir informasjon om fysiologiske prosesser regulert av det autonome nervesystemet (ANS), som inkluderer blodtrykk, hjertefrekvens, svette og kroppstemperatur. ANS har to hovedinndelinger: sympatiske og parasympatiske systemer. De fleste organer mottar gjensidig input fra begge systemene for å oppnå homeostase gjennom ANS-balanse. Denne reguleringen skjer uten bevisst kontroll (dvs. autonomt). Dysregulering av ANS kan oppstå som et resultat av lidelser eller skader, inkludert diabetes, sepsis, ryggmargsskader (SCI), Parkinsons sykdom og mange andre tilstander.

ANS er den delen av nervesystemet som regulerer og integrerer kroppsfunksjoner som vanligvis kjører ufrivillig, spesielt indre organer inkludert blodårer, lunger, pupiller, hjerte, svette og spyttkjertler. Sammen med immunologiske systemer kontrollerer og tilpasser den homeostase av det indre miljøet basert på endringer i det ytre miljøet. Forstyrrelser i autonom regulering er beskrevet i en rekke sykdommer og lidelser, inkludert de som direkte påvirker nervesystemet, som ryggmargsskader og hjerneslag, og de som rammer andre organsystemer, som sepsis og infeksjon, revmatoid artritt, Crohns sykdom, diabetes mellitus og en rekke hjertesykdommer. Denne dysreguleringen manifesterer seg forskjellig for hver av disse tilstandene, selv inkonsekvent på tvers av pasienter, og betydningen av symptomer på grunn av ANS-dysfunksjon er ikke godt forstått.

ANS kan deles inn i to hovedgrener: det sympatiske og det parasympatiske systemet. Alle indre organer innerveres av ett eller begge komponentsystemene gjennom ANS-hovedkanalene, som inkluderer hjernestammen, ryggmargen og kranienervene, slik som vagusnerven. Grenene fungerer typisk motsatt og komplementære av hverandre; Fysiologiske endringer knyttet til det sympatiske systemet inkluderer akselererende hjertefrekvens, utvidelse av pupiller og svette, mens det parasympatiske systemet bremser hjertet, senker blodtrykket og slapper av muskler. Begge systemene jobber i tandem for å modulere og opprettholde blodtrykk, vagal tonus, hjertefrekvens, respirasjon og hjertekontraktilitet. Mens begge systemene opererer for å opprettholde homeostase, kan det sympatiske systemet betraktes som et rask respons og mobiliserende system, mens det parasympatiske er et langsommere aktivert og dempende system.

I stedet for å måle ANS direkte fra det sentrale eller perifere nervesystemet gjennom invasive implantater, er det mulig å registrere fysiologiske signaler gjennom fremskritt innen ikke-invasiv klinisk testing. Laboratorier er i stand til å teste autonom funksjon og stole på batterier av aksepterte, ikke-invasive tester. I følge American Academy of Neurology (AAN) inkluderer standardteknikker for autonom testing måling av hjertefrekvens og blodtrykkvariasjon under dyp pusting, vippebord og Valsalva-manøveren for å vurdere kardiovagal (parasympatisk) og sudomotorisk (sympatisk) funksjon. Det er enkelt å legge til det begrensede nødvendige utstyret (blodtrykksmansjett, elektrokardiogram [EKG]) ved å inkludere elektroencefalografi (EEG) for å måle hjerneaktivitet, elektromyografi (EMG) for å måle muskelaktivitet og øyesporingsbriller for å måle pupillometri under dette batteriet . Alle ikke-invasive signaler kan måles under kontrollerte forstyrrelser for å karakterisere ANS. Vurdering av ANS-funksjon brukes nå i flere disipliner, inkludert nevrologi, kardiologi, psykologi, psykofysiologi, obstetrikk, anestesiologi og psykiatri.

Nevrale reflekser kontrollerer responser i kardiovaskulære, pulmonale, gastrointestinale, nyre-, lever- og endokrine systemer. Den vagus nerve-baserte inflammatoriske refleksen er spesielt interessant ved Feinstein Institute for Medical Research og har vist seg å regulere immunfunksjonen. Nervesystemet samhandler med immunsystemet ved denne veien; molekylære mediatorer av medfødt immunitet aktiverer afferente signaler i vagusnerven til hjernestammen, som sender efferente signaler nedover vagusnerven for å regulere betennelse og cytokinfrigjøring. Vagusnervestimulering (VNS) har vist seg å redusere produksjon og frigjøring av pro-inflammatoriske cytokiner; bioelektroniske enheter har blitt brukt i prekliniske og pilotstudier for å redusere betennelse hos pasienter med revmatoid artritt og Crohns sykdom.

Den aurikulære grenen av vagusnerven kommer fra vagus og innerverer kutane områder av det ytre øret. Transkutan aurikulær vagusnervestimulering (taVNS) tilbyr en ikke-invasiv måte å stimulere vagusnerven uten kirurgisk inngrep. Enheten består av en klemme som leverer elektriske signaler til prosesser i aurikkelen, og den har blitt brukt i tidligere kliniske studier for flere tilstander, inkludert refraktær epilepsi, depresjon, pre-diabetes, tinnitus, hukommelse, hjerneslag, oromotorisk dysfunksjon og revmatoid sykdom. leddgikt, med ytterligere studier planlagt for terapi eller behandling av hjerneslag, atrieflimmer og hjertesvikt. Disse studiene har brukt en rekke elektriske stimuleringsinnstillinger og steder; mekanismen til taVNS og responser er ikke godt forstått, så vel som effekten av endringer i stimuleringsparametre på ANS.

Nylig tillater bruk av maskinlæringsmodeller og dekodingsalgoritmer bruk av vanlig brukte kliniske målinger av fysiologiske signaler for å bedre forstå bredere fenomener med autonom funksjon og dysregulering. Forskning har vært fokusert på å utvikle kvantitative standarder basert på biomarkører for å hjelpe med diagnose, prognose og estimater av behandlingseffektivitet. Autonome data kan potensielt fange objektive mål på sykdomstilstander, og maskinlæringsteknikker kan brukes til å trekke ut relevante funksjoner for å bygge en prediktiv modell av ANS-balanse. Ved å trene en slik modell på opptak fra friske, funksjonsfriske individer, planlegger etterforskerne å karakterisere ANS-balanse, og deretter bruke denne modellen på nye datasett og individer for å diagnostisere eller forutsi sykdomstilstander.

Moderne metoder for beregningsvitenskap har blitt brukt til å dekode komplekse kliniske og eksperimentelle data ved å oppdage mønstre, klassifisere signaler og trekke ut informasjon mot ny kunnskap. Gjennom signalbehandlingsteknikker har det vært mulig å dekode signaler fra det autonome nervesystemet som formidles gjennom vagusnerven ved å identifisere grupper av vagale nevroner som avfyrer som respons på administrering av spesifikke cytokiner. I tillegg har maskinlæring blitt brukt til å kvantifisere klinisk smerte ved bruk av multimodale autonome beregninger og nevroimaging, og ambulerende data i stor skala har blitt brukt til å overvåke fysiologiske signaler og utvikle multisensormodeller for å oppdage stress i dagliglivet.

I tillegg ønsker etterforskerne å undersøke hvordan disse målingene påvirkes av bruk av ikke-invasiv transkutan elektrisk stimulering av vagusnerven. Stimulering av vagusnerven med en kirurgisk implantert stimulator regulerer og undertrykker pro-inflammatorisk cytokinfrigjøring. Dette har nå blitt brukt i en vellykket klinisk studie for å behandle revmatoid artritt og Crohns sykdom. Ikke-invasiv transkutan stimulering av vagusnerven har også vist lovende tidlige resultater, noe som indikerer at ikke-invasive metoder for å aktivere en spesifikk del av det autonome nervesystemet kan brukes med hell for å behandle sykdom. Sanntids biomarkører for effekten av denne behandlingen er imidlertid ikke tilgjengelige.

Her vil studien utvikle et rammeverk for å dekode en mengde ikke-invasive fysiologiske signaler under kontrollert autonom testing for å danne en modell som kan kvantifisere ANS-balanse, samt effekten av taVNS på systemet, hos friske og funksjonsfriske individer. Data hentet fra denne studien vil gjøre det mulig å oppdage tidlige og betydelige avvik fra "normal" homeostase og gi nye ikke-invasive sanntids biomarkører som kan brukes til å vurdere sykdomsutbrudd eller alvorlighetsgrad, samt effektiviteten av en terapi for å aktivere ANS på en bestemt måte. På sikt vil dette forbedre dagens behandlingsprotokoller og foreslå nye terapeutiske muligheter.