Forskere er ved at udvikle en ny enhed til non-invasiv måling af cervikal nerveaktivitet

Forskere er ved at udvikle en ny enhed til non-invasiv måling af cervikal nerveaktivitet

Et team af ingeniører og læger ved University of California, San Diego, har udviklet en enhed til non-invasiv måling af cervikal nerveaktivitet hos mennesker, et nyt værktøj, som de siger potentielt kan give information og forbedre behandlinger til patienter med sepsis, en livstruende reaktion på infektion og psykiske sygdomme såsom posttraumatisk stresslidelse (PTSD).

Enheden er beskrevet i 14. november 2022-udgaven af ​​Scientific Reports.

"For første gang har vi identificeret cervikale elektroneurografiske beviser for autonome (kamp eller flugt versus hvile og fordøjelse) biotyper, der er bemærkelsesværdigt konsistente på tværs af forskellige udfordringer til det autonome eller ufrivillige nervesystem," sagde seniorforfatter Imanuel Lerman, MD, klinisk professor i anæstesiologi ved UC San Diego School of Medicine ved UC San Diego Institute of Medicine, Qual comm. Diego Jacobs School of Engineering og VA Center of Excellence for Stress and Mental Health.

Forskningen bygger på de talrige og fundamentale roller, som den cervikale vagusnerve, den øvre del af vagusnerven, der løber fra tarmen til hjernen, giver information om status for omgivende indre organer og overvåger kritiske kropsfunktioner såsom immunrespons og fordøjelse, og spiller en rolle ved større psykiatriske lidelser og angst.

Den nye enhed har et fleksibelt array af elektroder, der strækker sig fra den nederste front til den øverste del af nakken, hvilket giver forskere mulighed for at registrere elektrisk aktivitet på tværs af forskellige nerver. En indbygget grænseflade giver mulighed for datavisualisering i realtid, og en brugerdefineret algoritme grupperer folk efter deres nervesystems reaktion på stress.

Tidligere krævede måling af nerveaktivitet i nakken ofte kirurgisk implantation af mikroelektroder. Lerman, sammen med medforfatter Todd Coleman, PhD, professor i Institut for Bioingeniør ved UC San Diego Jacobs School of Engineering, satte sig for at udvikle en mindre risikabel og mindre invasiv metode ved at tilpasse eksisterende teknologi, som Coleman havde udviklet sammen med kollega Jonas Kurniawan. PhD, postdoc ved Stanford University. Det resulterende fleksible array kan bæres i op til en dag og bevæger sig let med patientens hoved- og nakkebevægelser.

For at studere menneskelige autonome biotyper eller grupper af patienter, hvis ufrivillige nervesystemer reagerede på samme måde som stress, gennemførte forskere en række tests, hvor deltagerne i undersøgelsen blev bedt om at placere og holde deres hånd i isvand, efterfulgt af en tidsbestemt vejrtrækningsøvelse. Arrayet registrerede cervikale nervesignaler eller cervikal elektroneurografi, inklusive hjertefrekvens hos forsøgspersoner før og efter både isvandsudfordringen og under vejrtrækningsøvelsen.

Forskerne fandt ud af, at studiedeltagere konsekvent faldt i to forskellige biotypegrupper: dem, hvis neuronale aktivitet og hjertefrekvens steg under begge tests, og dem, der viste den modsatte tendens. Enhedens unikke algoritme identificerede forskelle i specifikke nerveklyngers respons på stressfaktorer såsom smerter forårsaget af isvandet og fysiske symptomer såsom svedtendens og øget hjertefrekvens forbundet med den tidsindstillede vejrtrækningsudfordring.

Resultaterne er spændende. Arrayet var i stand til at registrere aktiviteten i det autonome nervesystem, og vi blev glædeligt overraskede over at observere en konsekvent autonom respons på tværs af stresstestudfordringer. Der er imidlertid behov for mere arbejde for at demonstrere vores sansningsevner i større populationer."

Todd Coleman, ph.d., professor, Institut for bioteknik, UC San Diego Jacobs School of Engineering

Drug Discovery E-bog

Samling af de bedste interviews, artikler og nyheder fra det sidste år. Download en gratis kopi

Selvom elektrodearrayet ikke var i stand til at identificere de nøjagtige nerver, der affyrer som reaktion på stress og smerte ved koldtvandsudfordringen, håbede forskerne, at det en dag vil hjælpe med at diagnosticere og behandle tilstande som PTSD og sepsis. For eksempel udløser vagusnerven betændelse i kroppen som reaktion på skade eller infektion, en mekanisme, der kan forstyrres ved PTSD. Forfatterne sagde, at deres nye enhed i sidste ende kunne hjælpe klinikere med at måle patienters respons på terapi for PTSD, såsom: B. Dybe vejrtrækningsøvelser brugt under mindfulness meditation ved at overvåge neurale affyring i vagusnerven.

Lerman er allerede en af ​​flere forskere, der bruger elektrisk vagusnervestimulering til at teste, om stimulering af disse neurale strukturer kan reducere betændelse og smerte hos mennesker med PTSD.

Arrayet kunne også fremme sikkerheden for piloter, der betjener militærfly, ved at detektere stigninger i nerveaktivitet, der udløser svimmelhed eller kvalme.

På hospitaler, foreslår forfatterne, kan enheden hjælpe med at opdage patienter, der er modtagelige for livstruende tilstande såsom sepsis, ved at identificere personer, der reagerer stærkt på fysisk stress.

Sepsis opstår, når kroppens immunsystem overreagerer på en infektion og beskadiger dets eget væv. Dødelighedsrisikoen stiger hurtigt over tid, så teknologi, der hjælper med at opdage og markere højrisikopatienter på hospitalet, vil give læger en tidlig advarsel om at administrere antibiotika og forbedre en patients chancer for at undgå eller overleve sepsis.

Som et næste skridt planlægger forskerne at integrere arrayet med yderligere hardware til en trådløs, bærbar sensor, der kan bruges uden for laboratoriet. Forskere er i øjeblikket ved at udvikle planer for et klinisk forsøg for at opdage sepsis på hospitalet.

Undersøgelsen var en tværfaglig indsats, der involverede forskere fra UC San Diego Qualcomm Institute, UC San Diego School of Medicine, UC San Diego Jacobs School of Engineering (elektro- og computerteknik, materialevidenskab og ingeniørvidenskab, nanoteknik og bioingeniør), Institut for Fysik og Herbert Wertheim School of Public Health and Humanity, samt fra SanVA University, Stango University og Humanevity. Sundhedsvæsenet.

Medforfattere omfatter: 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 og Ramesh Rao, alle ved UC San Diego; og Andrew J. Shin, Stanford University.

Finansiering til denne forskning kom delvist fra Biomedical Advanced Research and Development Authority (Grant 75A50119C00038) og David og Janice Katz Neural Sensor Research Fund til minde om Allen E. Wolf.

Kilde:

University of California, San Diego

Reference:

Bu, Y., et al. (2022) Et fleksibelt elektrodearray med en klæbende overflade, der er i stand til cervikal elektroneurografi under en sekventiel autonom stressudfordring. Videnskabelige rapporter. doi.org/10.1038/s41598-022-21817-w.

.