Nieinwazyjna analiza bioelektroniczna (NIBA)

Biomarkery, które odzwierciedlają obecność lub intensywność choroby lub skuteczność leczenia, mają kluczowe znaczenie dla postępu medycyny. Zarejestrowane biomarkery dostarczają informacji o procesach fizjologicznych regulowanych przez autonomiczny układ nerwowy (ANS), takich jak ciśnienie krwi, tętno, pocenie się i temperatura ciała. AUN ma dwa główne działy: układ współczulny i przywspółczulny. Większość narządów otrzymuje wzajemny wkład z obu systemów, aby osiągnąć homeostazę poprzez równowagę AUN. Ta regulacja zachodzi bez świadomej kontroli (tj. Autonomicznie). Rozregulowanie AUN może wystąpić w wyniku zaburzeń lub urazów, w tym cukrzycy, posocznicy, urazów rdzenia kręgowego (SCI), choroby Parkinsona i wielu innych stanów.

AUN jest częścią układu nerwowego, która reguluje i integruje funkcje organizmu, które zwykle działają mimowolnie, w szczególności narządy wewnętrzne, w tym naczynia krwionośne, płuca, źrenice, serce, pot i gruczoły ślinowe. Wraz z systemami immunologicznymi kontroluje i dostosowuje homeostazę środowiska wewnętrznego w oparciu o zmiany zachodzące w środowisku zewnętrznym. Zaburzenia regulacji autonomicznej zostały opisane w różnych chorobach i zaburzeniach, w tym tych, które bezpośrednio wpływają na układ nerwowy, takich jak urazy rdzenia kręgowego i udar, oraz tych, które dotykają inne układy narządów, takich jak posocznica i infekcje, reumatoidalne zapalenie stawów, choroba Leśniowskiego-Crohna. cukrzyca i liczne choroby serca. Ta dysregulacja objawia się inaczej dla każdego z tych stanów, a nawet niespójnie u pacjentów, a znaczenie objawów związanych z dysfunkcją AUN nie jest dobrze poznane.

AUN można podzielić na dwie główne gałęzie: układ współczulny i przywspółczulny. Wszystkie narządy wewnętrzne są unerwione przez jeden lub oba układy składowe poprzez główne kanały AUN, które obejmują pień mózgu, rdzeń kręgowy i nerwy czaszkowe, takie jak nerw błędny. Gałęzie zazwyczaj działają naprzeciw siebie i wzajemnie się uzupełniają; fizjologiczne zmiany związane z układem współczulnym obejmują przyspieszenie akcji serca, rozszerzenie źrenic i pocenie się, podczas gdy układ przywspółczulny spowalnia pracę serca, obniża ciśnienie krwi i rozluźnia mięśnie. Oba systemy działają w tandemie, modulując i utrzymując ciśnienie krwi, napięcie nerwu błędnego, częstość akcji serca, oddychanie i kurczliwość serca. Podczas gdy oba systemy działają w celu utrzymania homeostazy, układ współczulny można uznać za system szybkiej reakcji i mobilizacji, podczas gdy układ przywspółczulny jest układem wolniej aktywowanym i tłumiącym.

Zamiast mierzyć AUN bezpośrednio z ośrodkowego lub obwodowego układu nerwowego za pomocą inwazyjnych implantów, możliwe jest rejestrowanie sygnałów fizjologicznych dzięki postępom w nieinwazyjnych badaniach klinicznych. Laboratoria są w stanie przetestować funkcje autonomiczne i polegają na bateriach zaakceptowanych, nieinwazyjnych testów. Według Amerykańskiej Akademii Neurologii (AAN), standardowe techniki testów układu autonomicznego obejmują pomiar częstości akcji serca i zmienności ciśnienia krwi podczas głębokiego oddychania, tabelę przechyłów i manewr Valsalvy w celu oceny funkcji układu sercowo-naczyniowego (przywspółczulnego) i sudomotorycznego (współczulnego). Łatwo jest dodać do ograniczonego niezbędnego sprzętu (mankiet do pomiaru ciśnienia krwi, elektrokardiogram [EKG]) poprzez włączenie elektroencefalografii (EEG) do pomiaru aktywności mózgu, elektromiografii (EMG) do pomiaru aktywności mięśni oraz okularów śledzących wzrok do pomiaru pupilometrii podczas tej baterii . Wszystkie nieinwazyjne sygnały mogą być mierzone podczas kontrolowanych zaburzeń w celu scharakteryzowania AUN. Ocena funkcji AUN jest obecnie stosowana w wielu dyscyplinach, w tym w neurologii, kardiologii, psychologii, psychofizjologii, położnictwie, anestezjologii i psychiatrii.

Odruchy nerwowe kontrolują reakcje w układzie sercowo-naczyniowym, płucnym, żołądkowo-jelitowym, nerkowym, wątrobowym i hormonalnym. Odruch zapalny oparty na nerwie błędnym jest szczególnie interesujący w Feinstein Institute for Medical Research i wykazano, że reguluje funkcje odpornościowe. Tą drogą układ nerwowy oddziałuje z układem odpornościowym; molekularne mediatory odporności wrodzonej aktywują sygnały doprowadzające w nerwie błędnym do pnia mózgu, który wysyła sygnały odprowadzające w dół nerwu błędnego w celu regulacji stanu zapalnego i uwalniania cytokin. Wykazano, że stymulacja nerwu błędnego (VNS) zmniejsza produkcję i uwalnianie cytokin prozapalnych; Urządzenia bioelektroniczne zostały wykorzystane w przedklinicznych i pilotażowych badaniach klinicznych w celu zmniejszenia stanu zapalnego u pacjentów z reumatoidalnym zapaleniem stawów i chorobą Leśniowskiego-Crohna.

Gałąź uszna nerwu błędnego pochodzi z nerwu błędnego i unerwia skórne obszary ucha zewnętrznego. Przezskórna stymulacja nerwu błędnego uszu (taVNS) oferuje nieinwazyjną metodę stymulacji nerwu błędnego bez interwencji chirurgicznej. Urządzenie składa się z zacisku, który dostarcza sygnały elektryczne do wyrostków małżowiny usznej i było używane we wcześniejszych badaniach klinicznych w wielu stanach, w tym w padaczce opornej na leczenie, depresji, stanie przedcukrzycowym, szumach usznych, pamięci, udarze, dysfunkcji oromotorycznej i reumatoidalnym zapalenie stawów, z planowanymi dodatkowymi badaniami dotyczącymi terapii lub leczenia udaru, migotania przedsionków i niewydolności serca. W badaniach tych wykorzystano szereg ustawień i miejsc stymulacji elektrycznej; mechanizm taVNS i odpowiedzi nie są dobrze poznane, podobnie jak wpływ zmian parametrów stymulacji na AUN.

Ostatnio zastosowanie modeli uczenia maszynowego i algorytmów dekodowania pozwala na wykorzystanie powszechnie stosowanych klinicznych pomiarów sygnałów fizjologicznych do lepszego zrozumienia szerszych zjawisk związanych z funkcją autonomiczną i dysregulacją. Badania koncentrowały się na opracowaniu standardów ilościowych opartych na biomarkerach, aby pomóc w diagnozowaniu, prognozowaniu i szacowaniu skuteczności leczenia. Dane autonomiczne mogłyby potencjalnie uchwycić obiektywne pomiary stanów chorobowych, a techniki uczenia maszynowego można wykorzystać do wyodrębnienia odpowiednich cech w celu zbudowania predykcyjnego modelu równowagi AUN. Trenując taki model na zapisach od zdrowych, pełnosprawnych osób, badacze planują scharakteryzować równowagę AUN, a następnie zastosować ten model do nowych zestawów danych i osób w celu zdiagnozowania lub przewidywania stanów chorobowych.

Nowoczesne metody informatyki zostały wykorzystane do dekodowania złożonych danych klinicznych i eksperymentalnych poprzez wykrywanie wzorców, klasyfikację sygnałów i wydobywanie informacji w celu uzyskania nowej wiedzy. Dzięki technikom przetwarzania sygnałów możliwe było zdekodowanie sygnałów autonomicznego układu nerwowego przekazywanych przez nerw błędny poprzez identyfikację grup neuronów nerwu błędnego, które aktywują się w odpowiedzi na podanie określonych cytokin. Ponadto uczenie maszynowe zostało wykorzystane do ilościowego określenia bólu klinicznego za pomocą multimodalnych wskaźników autonomicznych i neuroobrazowania, a wielkoskalowe dane ambulatoryjne zostały wykorzystane do monitorowania sygnałów fizjologicznych i opracowania modeli wieloczujnikowych do wykrywania stresu w życiu codziennym.

Dodatkowo badacze chcą zbadać, jak na te pomiary wpływa zastosowanie nieinwazyjnej przezskórnej elektrycznej stymulacji nerwu błędnego. Stymulacja nerwu błędnego przez wszczepiony chirurgicznie stymulator reguluje i hamuje uwalnianie cytokin prozapalnych. Zostało to teraz wykorzystane w udanej próbie klinicznej w leczeniu reumatoidalnego zapalenia stawów i choroby Leśniowskiego-Crohna. Nieinwazyjna przezskórna stymulacja nerwu błędnego również daje obiecujące wczesne wyniki, co wskazuje, że nieinwazyjne metody aktywacji określonej części autonomicznego układu nerwowego mogą być z powodzeniem stosowane w leczeniu chorób. Jednak biomarkery skuteczności tego leczenia w czasie rzeczywistym nie są dostępne.

W tym przypadku badanie opracuje ramy do dekodowania wielu nieinwazyjnych sygnałów fizjologicznych podczas kontrolowanych testów autonomicznych w celu utworzenia modelu, który może określić ilościowo równowagę AUN, a także wpływ taVNS na system u osób zdrowych i pełnosprawnych. Dane pochodzące z tego badania umożliwią wykrywanie wczesnych i znaczących odchyleń od „normalnej” homeostazy i dostarczą nowych nieinwazyjnych biomarkerów w czasie rzeczywistym, które można wykorzystać do oceny początku lub ciężkości choroby, a także skuteczności terapii w aktywacji ANS w określony sposób. W dłuższej perspektywie poprawi to obecne protokoły leczenia i zasugeruje nowe możliwości terapeutyczne.