Неинвазивная биоэлектронная аналитика (NIBA)

Биомаркеры, отражающие наличие или интенсивность заболевания или эффективность лечения, играют центральную роль в достижениях медицины. Зарегистрированные биомаркеры предоставляют информацию о физиологических процессах, регулируемых вегетативной нервной системой (ВНС), включая артериальное давление, частоту сердечных сокращений, потоотделение и температуру тела. ВНС имеет два основных отдела: симпатическую и парасимпатическую системы. Большинство органов получают взаимный вклад от обеих систем для достижения гомеостаза за счет баланса ВНС. Эта регуляция происходит без сознательного контроля (т. е. автономно). Дисрегуляция ВНС может возникать в результате нарушений или травм, включая диабет, сепсис, повреждения спинного мозга (ТСМ), болезнь Паркинсона и многие другие состояния.

ВНС является частью нервной системы, которая регулирует и интегрирует функции организма, которые обычно выполняются непроизвольно, особенно внутренних органов, включая кровеносные сосуды, легкие, зрачки, сердце, потовые и слюнные железы. Наряду с иммунологическими системами она контролирует и адаптирует гомеостаз внутренней среды на основе изменений во внешней среде. Нарушения вегетативной регуляции описаны при различных заболеваниях и расстройствах, в том числе при непосредственном поражении нервной системы, таких как травмы спинного мозга и инсульт, и при поражении других систем органов, например при сепсисе и инфекции, ревматоидном артрите, болезни Крона. болезни, сахарный диабет и многочисленные сердечные заболевания. Эта дисрегуляция проявляется по-разному для каждого из этих состояний, даже непоследовательно у разных пациентов, и значение симптомов, связанных с дисфункцией ВНС, изучено недостаточно.

ВНС можно разделить на две основные ветви: симпатическую и парасимпатическую системы. Все внутренние органы иннервируются одной или обеими компонентными системами через основные кондуиты ВНС, к которым относятся ствол головного мозга, спинной мозг и черепно-мозговые нервы, такие как блуждающий нерв. Ветви обычно функционируют противоположно и дополняют друг друга; физиологические изменения, связанные с симпатической системой, включают ускорение сердечного ритма, расширение зрачков и потоотделение, в то время как парасимпатическая система замедляет работу сердца, снижает кровяное давление и расслабляет мышцы. Обе системы работают в тандеме, модулируя и поддерживая артериальное давление, тонус блуждающего нерва, частоту сердечных сокращений, дыхание и сократительную способность сердца. В то время как обе системы работают для поддержания гомеостаза, симпатическая система может считаться системой быстрого реагирования и мобилизации, в то время как парасимпатическая система активируется медленнее и демпфирует.

Вместо того, чтобы измерять ВНС непосредственно из центральной или периферической нервной системы с помощью инвазивных имплантатов, можно записывать физиологические сигналы благодаря достижениям в области неинвазивных клинических испытаний. Лаборатории могут тестировать вегетативные функции и полагаться на наборы общепринятых неинвазивных тестов. По данным Американской академии неврологии (AAN), стандартные методы вегетативного тестирования включают измерение частоты сердечных сокращений и вариабельности артериального давления во время глубокого дыхания, наклон стола и пробу Вальсальвы для оценки кардиовагальной (парасимпатической) и судомоторной (симпатической) функции. К ограниченному необходимому оборудованию (манжете для измерения артериального давления, электрокардиограмме [ЭКГ]) легко добавить электроэнцефалографию (ЭЭГ) для измерения мозговой активности, электромиографию (ЭМГ) для измерения мышечной активности и очки для отслеживания глаз для измерения пупиллометрии во время этой батареи. . Все неинвазивные сигналы могут быть измерены во время контролируемых возмущений, чтобы охарактеризовать ВНС. Оценка функции ВНС в настоящее время используется во многих дисциплинах, включая неврологию, кардиологию, психологию, психофизиологию, акушерство, анестезиологию и психиатрию.

Нервные рефлексы контролируют реакции в сердечно-сосудистой, легочной, желудочно-кишечной, почечной, печеночной и эндокринной системах. Воспалительный рефлекс на основе блуждающего нерва представляет особый интерес для Института медицинских исследований Файнштейна, и было показано, что он регулирует иммунную функцию. По этому пути нервная система взаимодействует с иммунной системой; молекулярные медиаторы врожденного иммунитета активируют афферентные сигналы в блуждающем нерве к стволу мозга, который посылает эфферентные сигналы вниз по блуждающему нерву для регуляции воспаления и высвобождения цитокинов. Было показано, что стимуляция блуждающего нерва (VNS) снижает выработку и высвобождение провоспалительных цитокинов; биоэлектронные устройства использовались в доклинических и пилотных клинических испытаниях для уменьшения воспаления у пациентов с ревматоидным артритом и болезнью Крона.

Аурикулярная ветвь блуждающего нерва отходит от блуждающего нерва и иннервирует кожные участки наружного уха. Чрескожная стимуляция блуждающего нерва ушной раковины (taVNS) предлагает неинвазивные средства стимуляции блуждающего нерва без хирургического вмешательства. Устройство состоит из зажима, который подает электрические сигналы на отростки ушной раковины, и оно использовалось в предыдущих клинических исследованиях при множественных состояниях, включая рефрактерную эпилепсию, депрессию, преддиабет, шум в ушах, память, инсульт, оромоторную дисфункцию и ревматоидный артрит. артрит, с запланированными дополнительными исследованиями по терапии или лечению инсульта, мерцательной аритмии и сердечной недостаточности. В этих исследованиях использовался ряд настроек и мест для электростимуляции; механизм taVNS и ответов изучен недостаточно, равно как и влияние изменений параметров стимуляции на ВНС.

В последнее время применение моделей машинного обучения и алгоритмов декодирования позволяет использовать широко используемые клинические измерения физиологических сигналов для лучшего понимания более широких явлений вегетативной функции и дисрегуляции. Исследования были сосредоточены на разработке количественных стандартов, основанных на биомаркерах, для помощи в диагностике, прогнозировании и оценке эффективности лечения. Вегетативные данные потенциально могут фиксировать объективные показатели болезненных состояний, а методы машинного обучения можно использовать для извлечения соответствующих функций для построения прогностической модели баланса ВНС. Обучая такую ​​модель на записях здоровых, трудоспособных людей, исследователи планируют охарактеризовать баланс ВНС, а затем применить эту модель к новым наборам данных и людям для диагностики или прогнозирования болезненных состояний.

Современные методы вычислительной науки использовались для расшифровки сложных клинических и экспериментальных данных путем обнаружения закономерностей, классификации сигналов и извлечения информации для получения новых знаний. С помощью методов обработки сигналов стало возможным декодировать сигналы вегетативной нервной системы, передаваемые через блуждающий нерв, путем идентификации групп нейронов блуждающего нерва, которые возбуждаются в ответ на введение специфических цитокинов. Кроме того, машинное обучение использовалось для количественной оценки клинической боли с использованием мультимодальных вегетативных показателей и нейровизуализации, а крупномасштабные амбулаторные данные использовались для мониторинга физиологических сигналов и разработки мультисенсорных моделей для обнаружения стресса в повседневной жизни.

Кроме того, исследователи хотят изучить, как на эти измерения влияет использование неинвазивной чрескожной электрической стимуляции блуждающего нерва. Стимуляция блуждающего нерва хирургически имплантированным стимулятором регулирует и подавляет высвобождение провоспалительных цитокинов. В настоящее время это используется в успешных клинических испытаниях для лечения ревматоидного артрита и болезни Крона. Неинвазивная чрескожная стимуляция блуждающего нерва также показала многообещающие ранние результаты, указывающие на то, что неинвазивные методы активации определенной части вегетативной нервной системы могут быть успешно использованы для лечения заболеваний. Однако биомаркеры эффективности этого лечения в режиме реального времени недоступны.

Здесь в исследовании будет разработана структура для декодирования множества неинвазивных физиологических сигналов во время контролируемого вегетативного тестирования, чтобы сформировать модель, которая может количественно оценить баланс ВНС, а также влияние taVNS на систему у здоровых и трудоспособных людей. Данные, полученные в результате этого исследования, позволят обнаруживать ранние и значительные отклонения от «нормального» гомеостаза и предоставлять новые неинвазивные биомаркеры в реальном времени, которые можно использовать для оценки начала или тяжести заболевания, а также эффективности терапии для активации АНС определенным образом. В долгосрочной перспективе это улучшит существующие протоколы лечения и предложит новые терапевтические возможности.