I ricercatori stanno sviluppando un nuovo dispositivo per misurare in modo non invasivo l'attività del nervo cervicale

I ricercatori stanno sviluppando un nuovo dispositivo per misurare in modo non invasivo l'attività del nervo cervicale

Un team di ingegneri e medici dell’Università della California, a San Diego, ha sviluppato un dispositivo per misurare in modo non invasivo l’attività del nervo cervicale negli esseri umani, un nuovo strumento che secondo loro potrebbe potenzialmente fornire informazioni e migliorare i trattamenti per i pazienti con sepsi, una reazione pericolosa per la vita alle infezioni e malattie mentali come il disturbo da stress post-traumatico (PTSD).

Il dispositivo è descritto nel numero del 14 novembre 2022 di Scientific Reports.

"Per la prima volta, abbiamo identificato prove elettroneurografiche cervicali di biotipi autonomici (lotta o fuga rispetto a riposo e digestione) che sono straordinariamente coerenti in diverse sfide al sistema nervoso autonomo o involontario", ha affermato l'autore senior Imanuel Lerman, MD, professore clinico di anestesiologia presso la UC San Diego School of Medicine. di Ingegneria e il Centro di Eccellenza VA per lo Stress e la Salute Mentale.

La ricerca si basa sui numerosi e fondamentali ruoli del nervo vago cervicale, la parte superiore del nervo vago che va dall’intestino al cervello, fornisce informazioni sullo stato degli organi interni circostanti e monitora funzioni corporee critiche come la risposta immunitaria e la digestione, e svolge un ruolo nelle principali malattie psichiatriche come i disturbi dell’umore e dell’ansia.

Il nuovo dispositivo è dotato di una serie flessibile di elettrodi che si estendono dalla parte inferiore anteriore alla parte superiore posteriore del collo, consentendo ai ricercatori di registrare l’attività elettrica attraverso diversi nervi. Un'interfaccia integrata consente la visualizzazione dei dati in tempo reale e un algoritmo personalizzato raggruppa le persone in base alla risposta del loro sistema nervoso allo stress.

In passato, la misurazione dell’attività nervosa del collo spesso richiedeva l’impianto chirurgico di microelettrodi. Lerman, insieme al coautore Todd Coleman, PhD, professore presso il Dipartimento di Bioingegneria presso la Jacobs School of Engineering della UC San Diego, hanno deciso di sviluppare un metodo meno rischioso e meno invasivo adattando la tecnologia esistente che Coleman aveva sviluppato con il collega Jonas Kurniawan. PhD, ricercatore post-dottorato presso l'Università di Stanford. La matrice flessibile risultante può essere indossata fino a un giorno e si muove facilmente con i movimenti della testa e del collo del paziente.

Per studiare i biotipi autonomici umani, o gruppi di pazienti il ​​cui sistema nervoso involontario rispondeva in modo simile allo stress, i ricercatori hanno condotto una serie di test in cui ai partecipanti allo studio è stato chiesto di mettere e tenere la mano nell’acqua ghiacciata, seguita da un esercizio di respirazione temporizzato. L'array ha registrato i segnali dei nervi cervicali o l'elettroneurografia cervicale, inclusa la frequenza cardiaca nei soggetti prima e dopo sia la sfida dell'acqua ghiacciata che durante l'esercizio di respirazione.

I ricercatori hanno scoperto che i partecipanti allo studio rientravano costantemente in due gruppi di biotipi distinti: quelli la cui attività neuronale e frequenza cardiaca aumentavano durante entrambi i test e quelli che mostravano la tendenza opposta. L'algoritmo unico del dispositivo ha identificato differenze nella risposta di specifici gruppi nervosi a fattori di stress come il dolore causato dall'acqua ghiacciata e sintomi fisici come la sudorazione e l'aumento della frequenza cardiaca associati alla sfida respiratoria a tempo.

I risultati sono entusiasmanti. L’array è stato in grado di registrare l’attività del sistema nervoso autonomo e siamo rimasti piacevolmente sorpresi nell’osservare una risposta autonomica coerente durante le prove di stress. Tuttavia, è necessario ulteriore lavoro per dimostrare le nostre capacità di rilevamento in popolazioni più numerose”.

Todd Coleman, PhD, Professore, Dipartimento di Bioingegneria, Jacobs School of Engineering della UC San Diego

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Sebbene la serie di elettrodi non sia stata in grado di identificare i nervi esatti che si attivano in risposta allo stress e al dolore della sfida dell’acqua fredda, i ricercatori speravano che un giorno potesse aiutare a diagnosticare e trattare condizioni come il disturbo da stress post-traumatico e la sepsi. Ad esempio, il nervo vago innesca l’infiammazione nel corpo in risposta a lesioni o infezioni, un meccanismo che può essere interrotto nel disturbo da stress post-traumatico. Gli autori hanno affermato che il loro nuovo dispositivo potrebbe eventualmente aiutare i medici a misurare la risposta dei pazienti alla terapia per il disturbo da stress post-traumatico, come ad esempio: B. Esercizi di respirazione profonda utilizzati durante la meditazione consapevole monitorando l'attivazione neurale nel nervo vago.

Lerman è già uno dei numerosi ricercatori che utilizzano la stimolazione elettrica del nervo vago per verificare se la stimolazione di queste strutture neurali può ridurre l’infiammazione e il dolore nelle persone con disturbo da stress post-traumatico.

L’array potrebbe anche promuovere la sicurezza dei piloti che operano su aerei militari rilevando picchi di attività nervosa che provocano vertigini o nausea.

Negli ospedali, suggeriscono gli autori, il dispositivo potrebbe aiutare a rilevare i pazienti suscettibili a condizioni potenzialmente letali come la sepsi, identificando le persone che reagiscono fortemente allo stress fisico.

La sepsi si verifica quando il sistema immunitario del corpo reagisce in modo eccessivo a un'infezione, danneggiando i propri tessuti. Il rischio di mortalità aumenta rapidamente nel tempo, quindi la tecnologia che aiuta a individuare e segnalare i pazienti ad alto rischio in ospedale darebbe ai medici un preavviso per somministrare antibiotici e migliorerebbe le possibilità del paziente di evitare o sopravvivere alla sepsi.

Come passo successivo, i ricercatori prevedono di integrare l’array con hardware aggiuntivo per un sensore wireless indossabile che possa essere utilizzato all’esterno del laboratorio. I ricercatori stanno attualmente sviluppando piani per una sperimentazione clinica per rilevare la sepsi in ospedale.

Lo studio è stato uno sforzo interdisciplinare che ha coinvolto ricercatori dell'UC San Diego Qualcomm Institute, della UC San Diego School of Medicine, della UC San Diego Jacobs School of Engineering (ingegneria elettrica e informatica, scienza e ingegneria dei materiali, nanoingegneria e bioingegneria), del Dipartimento di fisica e della Herbert Wertheim School of Public Health and Human Longevity Science e facoltà dell'Università di Stanford e del VA Sistema sanitario di San Diego.

I coautori includono: 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 e Ramesh Rao, tutti presso UC San Diego; e Andrew J. Shin, Università di Stanford.

Il finanziamento per questa ricerca è arrivato in parte dalla Biomedical Advanced Research and Development Authority (Grant 75A50119C00038) e dal David e Janice Katz Neural Sensor Research Fund in Memory of Allen E. Wolf.

Fonte:

Università della California, San Diego

Riferimento:

Bu, Y., et al. (2022) Un array di elettrodi flessibile con una superficie adesiva in grado di eseguire l'elettroneurografia cervicale durante una sfida di stress autonomo sequenziale. Rapporti scientifici. doi.org/10.1038/s41598-022-21817-w.

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