Vědci vyvíjejí nové zařízení pro neinvazivní měření aktivity krčních nervů

Vědci vyvíjejí nové zařízení pro neinvazivní měření aktivity krčních nervů

Tým inženýrů a lékařů z Kalifornské univerzity v San Diegu vyvinul zařízení k neinvazivnímu měření aktivity cervikálních nervů u lidí, nový nástroj, který by podle nich mohl potenciálně poskytnout informace a zlepšit léčbu pacientů se sepsí, život ohrožující reakcí na infekci a duševními chorobami, jako je posttraumatická stresová porucha (PTSD).

Zařízení je popsáno ve vydání Scientific Reports ze 14. listopadu 2022.

"Poprvé jsme identifikovali cervikální elektroneurografický důkaz autonomních (boj nebo útěk versus odpočinek a trávení) biotypů, které jsou pozoruhodně konzistentní v různých problémech autonomního nebo nedobrovolného nervového systému," řekl hlavní autor Imanuel Lerman, MD, klinický profesor anesteziologie na UC San Diego School of Medicine další schůzky na UCm Jacob Institute, UC San Diego UC Qual. School of Engineering a VA Center of Excellence pro stres a duševní zdraví.

Výzkum staví na četných a základních rolích cervikálního nervu vagus, horní části nervu vagus, který prochází ze střeva do mozku, poskytuje informace o stavu okolních vnitřních orgánů a monitoruje kritické tělesné funkce, jako je imunitní odpověď a trávení, a hraje roli u závažných psychiatrických onemocnění, jako jsou poruchy nálady a úzkosti.

Nové zařízení je vybaveno flexibilním polem elektrod, které se rozprostírají od spodní přední části až po horní zadní část krku, což umožňuje výzkumníkům zaznamenávat elektrickou aktivitu napříč různými nervy. Vestavěné rozhraní umožňuje vizualizaci dat v reálném čase a vlastní algoritmus seskupuje lidi podle reakce jejich nervového systému na stres.

V minulosti měření nervové aktivity v krku často vyžadovalo chirurgickou implantaci mikroelektrod. Lerman, spolu se spoluautorem Toddem Colemanem, PhD, profesorem na katedře bioinženýrství na UC San Diego Jacobs School of Engineering, se rozhodli vyvinout méně riskantní a méně invazivní metodu přizpůsobením stávající technologie, kterou Coleman vyvinul s kolegou Jonasem Kurniawanem. PhD, postdoktorand na Stanfordské univerzitě. Výsledné flexibilní pole lze nosit až jeden den a snadno se pohybuje s pohyby hlavy a krku pacienta.

Pro studium lidských autonomních biotypů nebo skupin pacientů, jejichž nedobrovolné nervové systémy reagovaly podobně na stres, provedli vědci sérii testů, ve kterých byli účastníci studie požádáni, aby položili a drželi ruku v ledové vodě, po čemž následovalo měřené dýchací cvičení. Pole zaznamenávalo cervikální nervové signály nebo cervikální elektroneurografii, včetně srdeční frekvence u subjektů před a po aplikaci ledové vody a během dechového cvičení.

Vědci zjistili, že účastníci studie konzistentně spadali do dvou odlišných biotypových skupin: ti, jejichž neuronální aktivita a srdeční frekvence se během obou testů zvýšily, a ti, kteří vykazovali opačný trend. Unikátní algoritmus zařízení identifikoval rozdíly v reakci specifických nervových shluků na stresory, jako je bolest způsobená ledovou vodou, a fyzické příznaky, jako je pocení a zvýšená srdeční frekvence spojená s načasovanou dýchací výzvou.

Výsledky jsou vzrušující. Pole bylo schopno zaznamenat aktivitu autonomního nervového systému a byli jsme příjemně překvapeni, když jsme pozorovali konzistentní autonomní reakci napříč zátěžovými testy. Je však potřeba více práce, abychom demonstrovali naše snímací schopnosti ve větších populacích.“

Todd Coleman, PhD, profesor, Katedra bioinženýrství, UC San Diego Jacobs School of Engineering

E-kniha Objev drog

Kompilace top rozhovorů, článků a novinek za poslední rok. Stáhněte si bezplatnou kopii

Ačkoli elektrodové pole nebylo schopno identifikovat přesné nervy, které vystřelí v reakci na stres a bolest při výzvě studenou vodou, vědci doufali, že jednoho dne pomůže diagnostikovat a léčit stavy, jako je PTSD a sepse. Například bloudivý nerv spouští v těle zánět v reakci na zranění nebo infekci, což je mechanismus, který může být u PTSD narušen. Autoři uvedli, že jejich nové zařízení by nakonec mohlo pomoci lékařům měřit reakci pacientů na terapii PTSD, jako jsou: B. Cvičení hlubokého dýchání používané během meditace všímavosti sledováním neurální palby v nervu vagus.

Lerman je již jedním z několika výzkumníků, kteří používají elektrickou stimulaci nervu vagus, aby otestovali, zda stimulace těchto nervových struktur může snížit zánět a bolest u lidí s PTSD.

Pole by také mohlo podpořit bezpečnost pilotů provozujících vojenská letadla tím, že detekuje návaly nervové aktivity, které vyvolávají závratě nebo nevolnost.

Autoři navrhují, že v nemocnicích by zařízení mohlo pomoci odhalit pacienty náchylné k život ohrožujícím stavům, jako je sepse, tím, že identifikuje lidi, kteří silně reagují na fyzický stres.

Sepse nastává, když imunitní systém těla přehnaně reaguje na infekci a poškozuje vlastní tkáň. Riziko úmrtnosti se v průběhu času rychle zvyšuje, takže technologie, která pomáhá odhalovat a označovat vysoce rizikové pacienty v nemocnici, by lékařům poskytla včasné varování, aby podali antibiotika, a zlepšila by šance pacienta vyhnout se sepsi nebo ji přežít.

Jako další krok vědci plánují integrovat pole s dalším hardwarem pro bezdrátový nositelný senzor, který lze použít mimo laboratoř. Vědci v současné době vyvíjejí plány na klinickou studii k detekci sepse v nemocnici.

Studie byla interdisciplinárním úsilím zahrnujícím výzkumníky z UC San Diego Qualcomm Institute, UC San Diego School of Medicine, UC San Diego Jacobs School of Engineering (elektrické a počítačové inženýrství, materiálové vědy a inženýrství, nanoinženýrství a bioinženýrství), katedry fyziky a Herbert Wertheim School of Public Health and Human Longevity Science a fakulty na Stanfordské univerzitě. VA San Diego Healthcare System.

Mezi spoluautory patří: Yifeng Bu, Jonas F. Kurniawan, Jacob Prince, Andrew KL Nguyen, Brandon Ho, Nathan LJ Sit, Timothy Pham, Vincent M. Wu, Boris Tjhia, Tsung-Chin Wu, Xin M. Tu a Ramesh Rao, všichni na UC San Diego; a Andrew J. Shin ze Stanfordské univerzity.

Financování tohoto výzkumu částečně pocházelo z Biomedical Advanced Research and Development Authority (Grant 75A50119C00038) a David a Janice Katz z fondu pro výzkum nervových senzorů na památku Allena E. Wolfa.

Zdroj:

Kalifornská univerzita, San Diego

Odkaz:

Bu, Y., a kol. (2022) Flexibilní elektrodové pole s adhezivním povrchem schopným cervikální elektroneurografie během sekvenčního autonomního stresu. Vědecké zprávy. doi.org/10.1038/s41598-022-21817-w.

.