Icke-invasiv bioelektronisk analys (NIBA)

Biomarkörer som återspeglar sjukdomens närvaro eller intensitet, eller behandlingseffektivitet är centrala för medicinska framsteg. Inspelade biomarkörer ger information om fysiologiska processer som regleras av det autonoma nervsystemet (ANS), som inkluderar blodtryck, hjärtfrekvens, svettning och kroppstemperatur. ANS har två huvudindelningar: sympatiska och parasympatiska system. De flesta organ får ömsesidig input från båda systemen för att uppnå homeostas genom ANS-balans. Denna reglering sker utan medveten kontroll (dvs autonomt). Dysregulation av ANS kan uppstå som ett resultat av störningar eller skador, inklusive diabetes, sepsis, ryggmärgsskador (SCI), Parkinsons sjukdom och många andra tillstånd.

ANS är den del av nervsystemet som reglerar och integrerar kroppsfunktioner som vanligtvis körs ofrivilligt, särskilt inre organ inklusive blodkärl, lungor, pupiller, hjärta, svett och spottkörtlar. Tillsammans med immunologiska system kontrollerar och anpassar den homeostas av den inre miljön baserat på förändringar i den yttre miljön. Störningar i autonom reglering har beskrivits i en mängd olika sjukdomar och störningar, inklusive de som direkt påverkar nervsystemet, såsom ryggmärgsskador och stroke, och de som drabbar andra organsystem, såsom sepsis och infektion, reumatoid artrit, Crohns sjukdom, diabetes mellitus och många hjärtsjukdomar. Denna dysreglering manifesterar sig olika för vart och ett av dessa tillstånd, även inkonsekvent mellan patienter, och betydelsen av symtom på grund av ANS-dysfunktion är inte väl förstått.

ANS kan delas in i två huvudgrenar: det sympatiska och det parasympatiska systemet. Alla inre organ innerveras av ett eller båda komponentsystemen genom ANS-huvudledningarna, som inkluderar hjärnstammen, ryggmärgen och kranialnerverna, såsom vagusnerven. Grenarna fungerar vanligtvis mitt emot och kompletterar varandra; fysiologiska förändringar associerade med det sympatiska systemet inkluderar accelererande hjärtfrekvens, vidgar pupiller och svett, medan det parasympatiska systemet saktar ner hjärtat, sänker blodtrycket och slappnar av muskler. Båda systemen arbetar i tandem för att modulera och bibehålla blodtryck, vagal tonus, hjärtfrekvens, andning och hjärtkontraktilitet. Medan båda systemen fungerar för att upprätthålla homeostas, kan det sympatiska systemet anses vara ett snabbt svar och mobiliserande system, medan det parasympatiska är ett långsammare aktiverat och dämpande system.

Istället för att mäta ANS direkt från det centrala eller perifera nervsystemet genom invasiva implantat, är det möjligt att registrera fysiologiska signaler genom framsteg inom icke-invasiv klinisk testning. Laboratorier kan testa autonom funktion och lita på batterier av accepterade, icke-invasiva tester. Enligt American Academy of Neurology (AAN) inkluderar standardtekniker för autonom testning mätning av hjärtfrekvens och blodtrycksvariabilitet under djupandning, tiltbord och Valsalva-manövern för att bedöma kardiovagal (parasympatisk) och sudomotorisk (sympatisk) funktion. Det är enkelt att lägga till den begränsade nödvändiga utrustningen (blodtrycksmanschett, elektrokardiogram [EKG]) genom att inkludera elektroencefalografi (EEG) för att mäta hjärnaktivitet, elektromyografi (EMG) för att mäta muskelaktivitet och ögonspårningsglasögon för att mäta pupillometri under denna batteritid . Alla icke-invasiva signaler kan mätas under kontrollerade störningar för att karakterisera ANS. Bedömning av ANS-funktion används nu inom flera discipliner, inklusive neurologi, kardiologi, psykologi, psykofysiologi, obstetrik, anestesiologi och psykiatri.

Neurala reflexer kontrollerar svaren i de kardiovaskulära, lung-, gastrointestinala, njur-, lever- och endokrina systemen. Den vagusnervbaserade inflammatoriska reflexen är av särskilt intresse vid Feinstein Institute for Medical Research och har visat sig reglera immunförsvaret. Nervsystemet interagerar med immunsystemet genom denna väg; molekylära mediatorer av medfödd immunitet aktiverar afferenta signaler i vagusnerven till hjärnstammen, som skickar efferenta signaler ner i vagusnerven för att reglera inflammation och cytokinfrisättning. Vagusnervstimulering (VNS) har visat sig minska produktionen och frisättningen av pro-inflammatoriska cytokiner; bioelektroniska apparater har använts i prekliniska och pilotstudier för att minska inflammation hos patienter med reumatoid artrit och Crohns sjukdom.

Den aurikulära grenen av vagusnerven kommer från vagus och innerverar hudområden i ytterörat. Transkutan aurikulär vagusnervstimulering (taVNS) erbjuder ett icke-invasivt sätt att stimulera vagusnerven utan kirurgiskt ingrepp. Enheten består av en klämma som levererar elektriska signaler till processer i öronen, och den har använts i tidigare kliniska studier för flera tillstånd, inklusive refraktär epilepsi, depression, pre-diabetes, tinnitus, minne, stroke, oromotorisk dysfunktion och reumatoid artrit, med ytterligare studier planerade för terapi eller behandling av stroke, förmaksflimmer och hjärtsvikt. Dessa studier har använt en rad elektriska stimuleringsinställningar och platser; mekanismen för taVNS och svar är inte väl förstådda, liksom effekterna av förändringar i stimuleringsparametrar på ANS.

Nyligen tillåter tillämpning av maskininlärningsmodeller och avkodningsalgoritmer att använda vanliga kliniska mätningar av fysiologiska signaler för att bättre förstå bredare fenomen av autonom funktion och dysreglering. Forskningen har fokuserats på att utveckla kvantitativa standarder baserade på biomarkörer för att hjälpa till med diagnos, prognos och uppskattningar av behandlingseffektivitet. Autonoma data skulle potentiellt kunna fånga objektiva mått på sjukdomstillstånd, och maskininlärningstekniker kan användas för att extrahera relevanta funktioner för att bygga en prediktiv modell av ANS-balans. Genom att träna en sådan modell på inspelningar från friska, arbetsföra individer planerar utredarna att karakterisera ANS-balansen och sedan tillämpa denna modell på nya datamängder och individer för att diagnostisera eller förutsäga sjukdomstillstånd.

Moderna metoder för beräkningsvetenskap har använts för att avkoda komplexa kliniska och experimentella data genom att detektera mönster, klassificera signaler och extrahera information till ny kunskap. Genom signalbehandlingstekniker har det varit möjligt att avkoda signaler från det autonoma nervsystemet som förmedlas genom vagusnerven genom att identifiera grupper av vagala neuroner som skjuter som svar på administrering av specifika cytokiner. Dessutom har maskininlärning använts för att kvantifiera klinisk smärta med hjälp av multimodala autonoma mått och neuroimaging, och storskaliga ambulatoriska data har använts för att övervaka fysiologiska signaler och utveckla multisensormodeller för att upptäcka stress i det dagliga livet.

Dessutom vill utredarna undersöka hur dessa mätningar påverkas av användningen av icke-invasiv transkutan elektrisk stimulering av vagusnerven. Stimulering av vagusnerven med en kirurgiskt implanterad stimulator reglerar och undertrycker pro-inflammatorisk cytokinfrisättning. Detta har nu använts i en framgångsrik klinisk prövning för att behandla reumatoid artrit och Crohns sjukdom. Icke-invasiv transkutan stimulering av vagusnerven har också visat lovande tidiga resultat, vilket indikerar att icke-invasiva metoder för att aktivera en specifik del av det autonoma nervsystemet framgångsrikt kan användas för att behandla sjukdomar. Men biomarkörer för effekten av denna behandling i realtid är inte tillgängliga.

Här kommer studien att utveckla ett ramverk för att avkoda en mängd icke-invasiva fysiologiska signaler under kontrollerade autonoma tester för att bilda en modell som kan kvantifiera ANS-balansen, såväl som effekterna av taVNS på systemet, hos friska och arbetsföra individer. Data som härrör från denna studie kommer att möjliggöra förmågan att upptäcka tidiga och signifikanta avvikelser från "normal" homeostas och tillhandahålla nya icke-invasiva biomarkörer i realtid som kan användas för att bedöma sjukdomsdebut eller svårighetsgrad, såväl som effekten av en terapi för att aktivera ANS på ett specifikt sätt. På lång sikt kommer detta att förbättra nuvarande behandlingsprotokoll och föreslå nya terapeutiska möjligheter.