非侵入性生物电子分析 (NIBA)

反映疾病存在或强度或治疗效果的生物标志物是医学进步的核心。 记录的生物标志物提供有关自主神经系统 (ANS) 调节的生理过程的信息，包括血压、心率、出汗和体温。 ANS 有两个主要部分：交感神经系统和副交感神经系统。 大多数器官接收来自两个系统的相互输入，以通过 ANS 平衡实现体内平衡。 这种调节是在没有意识控制的情况下发生的（即自主的）。 ANS 失调可能由疾病或损伤引起，包括糖尿病、败血症、脊髓损伤 (SCI)、帕金森病和许多其他疾病。

ANS 是神经系统的一部分，它调节和整合通常不自主运行的身体功能，特别是内脏器官，包括血管、肺、瞳孔、心脏、汗液和唾液腺。 与免疫系统一起，它根据外部环境的变化控制和适应内部环境的稳态。 自主调节障碍已在多种疾病和病症中得到描述，包括直接影响神经系统的疾病和病症，例如脊髓损伤和中风，以及影响其他器官系统的疾病和病症，例如败血症和感染、类风湿性关节炎、克罗恩病病、糖尿病和多种心脏病。 这种失调在这些情况中的每一种情况下都有不同的表现，甚至在患者之间也不一致，并且由于 ANS 功能障碍引起的症状的重要性尚不清楚。

ANS 可分为两个主要分支：交感神经系统和副交感神经系统。 所有内部器官都通过 ANS 主要管道由一个或两个组成系统支配，包括脑干、脊髓和颅神经，例如迷走神经。 这些分支通常功能相反且彼此互补；与交感神经系统相关的生理变化包括心率加快、瞳孔放大和出汗，而副交感神经系统使心率减慢、血压降低和肌肉放松。 这两个系统协同工作以调节和维持血压、迷走神经张力、心率、呼吸和心脏收缩力。 虽然这两个系统都可以维持体内平衡，但交感神经系统可以被认为是一个快速反应和动员系统，而副交感神经系统是一个更慢的激活和抑制系统。

可以通过无创临床测试的进步记录生理信号，而不是通过侵入性植入物直接从中枢或周围神经系统测量 ANS。 实验室能够测试自主神经功能，并依赖于一系列公认的、无创的测试。 根据美国神经病学学会 (AAN) 的说法，自主神经测试的标准技术包括测量深呼吸期间的心率和血压变异性、倾斜台和 Valsalva 动作以评估心脏迷走神经（副交感神经）和泌汗运动（交感神经）功能。 通过包括测量大脑活动的脑电图 (EEG)、测量肌肉活动的肌电图 (EMG) 和测量电池期间瞳孔测量的眼动追踪眼镜，可以直接添加到有限的必要设备（血压袖带、心电图 [ECG]）中. 所有非侵入性信号都可以在受控扰动期间测量，以表征 ANS。 ANS 功能的评估现在用于多个学科，包括神经学、心脏病学、心理学、心理生理学、产科、麻醉学和精神病学。

神经反射控制心血管、肺、胃肠道、肾脏、肝脏和内分泌系统的反应。 基于迷走神经的炎症反射在 Feinstein 医学研究所特别令人感兴趣，并且已被证明可以调节免疫功能。 神经系统通过这条途径与免疫系统相互作用；先天免疫的分子介质激活迷走神经中的传入信号到脑干，脑干向迷走神经发送传出信号以调节炎症和细胞因子释放。 迷走神经刺激 (VNS) 已被证明可以减少促炎细胞因子的产生和释放；生物电子设备已用于临床前和试点临床试验，以减少类风湿性关节炎和克罗恩病患者的炎症。

迷走神经的耳支来自迷走神经并支配外耳的皮肤区域。 经皮耳迷走神经刺激 (taVNS) 提供了一种无需手术干预即可刺激迷走神经的非侵入性方法。 该设备由一个向耳廓过程提供电信号的夹子组成，它已用于多种疾病的先前临床研究，包括难治性癫痫、抑郁症、糖尿病前期、耳鸣、记忆力、中风、口部运动功能障碍和类风湿病关节炎，并计划进行额外的研究以治疗或治疗中风、心房颤动和心力衰竭。 这些研究使用了一系列电刺激设置和部位； taVNS 的机制和反应，以及刺激参数的变化对 ANS 的影响都不是很清楚。

最近，机器学习模型和解码算法的应用允许利用常用的生理信号临床测量来更好地理解自主功能和失调的更广泛现象。 研究一直集中在开发基于生物标志物的定量标准，以帮助诊断、预后和治疗效果的估计。 自主数据可能会捕获疾病状态的客观测量值，并且机器学习技术可用于提取相关特征以构建 ANS 平衡的预测模型。 通过使用健康、健全个体的记录训练此类模型，研究人员计划描述 ANS 平衡的特征，然后将该模型应用于新的数据集和个体以诊断或预测疾病状态。

现代计算科学方法已被用于通过检测模式、分类信号和提取信息以获得新知识来解码复杂的临床和实验数据。 通过信号处理技术，可以通过识别响应特定细胞因子的施用而激发的迷走神经元组来解码通过迷走神经传递的自主神经系统信号。 此外，机器学习已被用于使用多模态自主神经指标和神经影像学来量化临床疼痛，大规模动态数据已被用于监测生理信号并开发多传感器模型来检测日常生活中的压力。

此外，研究人员想要检查这些测量值如何受到使用迷走神经的非侵入性经皮电刺激的影响。 通过手术植入的刺激器刺激迷走神经调节和抑制促炎细胞因子的释放。 这现已成功用于治疗类风湿性关节炎和克罗恩病的临床试验。 迷走神经的非侵入性经皮刺激也显示出有希望的早期结果，表明激活自主神经系统特定部分的非侵入性方法可以成功地用于治疗疾病。 然而，这种治疗效果的实时生物标志物不可用。

在这里，该研究将开发一个框架来解码受控自主测试期间的大量非侵入性生理信号，以形成一个模型，该模型可以量化 ANS 平衡，以及 taVNS 对健康和健全个体系统的影响。 来自这项研究的数据将能够检测早期和显着偏离“正常”稳态的能力，并提供新的非侵入性实时生物标志物，可用于评估疾病发作或严重程度，以及治疗激活的疗效ANS 以特定方式。 从长远来看，这将改善当前的治疗方案并提出新的治疗机会。