Onderzoekers ontwikkelen een nieuw apparaat om de activiteit van de cervicale zenuwen op niet-invasieve wijze te meten

Onderzoekers ontwikkelen een nieuw apparaat om de activiteit van de cervicale zenuwen op niet-invasieve wijze te meten

Een team van ingenieurs en artsen aan de Universiteit van Californië, San Diego, heeft een apparaat ontwikkeld om op niet-invasieve wijze de activiteit van de cervicale zenuwen bij mensen te meten, een nieuw hulpmiddel dat volgens hen mogelijk informatie zou kunnen verschaffen en behandelingen zou kunnen verbeteren voor patiënten met sepsis, een levensbedreigende reactie op een infectie en psychische aandoeningen zoals posttraumatische stressstoornis (PTSS).

Het apparaat wordt beschreven in de Scientific Reports van 14 november 2022.

“Voor de eerste keer hebben we cervicaal elektroneurografisch bewijs gevonden van autonome biotypes (vechten of vluchten versus rusten en verteren) die opmerkelijk consistent zijn bij verschillende uitdagingen voor het autonome of onwillekeurige zenuwstelsel”, zegt senior auteur Imanuel Lerman, MD, klinisch hoogleraar anesthesiologie aan de UC San Diego School of Medicine, met aanvullende benoemingen bij het UC San Diego Qualcomm Institute, de UC San Diego Jacobs School of Engineering en het VA Center of Excellence for Stress and Mental Health.

Het onderzoek bouwt voort op de talrijke en fundamentele rollen van de cervicale nervus vagus, het bovenste deel van de nervus vagus die van de darmen naar de hersenen loopt, geeft informatie over de status van omliggende interne organen en bewaakt kritische lichaamsfuncties zoals immuunrespons en spijsvertering, en speelt een rol bij ernstige psychiatrische ziekten zoals stemmings- en angststoornissen.

Het nieuwe apparaat beschikt over een flexibele reeks elektroden die zich uitstrekken van de voorkant tot de bovenkant van de nek, waardoor onderzoekers de elektrische activiteit over verschillende zenuwen kunnen registreren. Een ingebouwde interface maakt real-time datavisualisatie mogelijk, en een aangepast algoritme groepeert mensen op basis van de reactie van hun zenuwstelsel op stress.

In het verleden vereiste het meten van zenuwactiviteit in de nek vaak chirurgische implantatie van micro-elektroden. Lerman wilde samen met co-auteur Todd Coleman, PhD, een professor aan de afdeling Bioengineering aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering, een minder risicovolle en minder invasieve methode ontwikkelen door de bestaande technologie aan te passen die Coleman samen met collega Jonas Kurniawan had ontwikkeld. PhD, postdoctoraal onderzoeker aan Stanford University. De resulterende flexibele array kan maximaal een dag worden gedragen en beweegt gemakkelijk mee met de hoofd- en nekbewegingen van de patiënt.

Om menselijke autonome biotypes te bestuderen, of groepen patiënten van wie het onwillekeurige zenuwstelsel op dezelfde manier reageerde op stress, voerden onderzoekers een reeks tests uit waarbij deelnemers aan de studie werd gevraagd hun hand in ijswater te plaatsen en vast te houden, gevolgd door een getimede ademhalingsoefening. De array registreerde cervicale zenuwsignalen of cervicale elektroneurografie, inclusief de hartslag bij proefpersonen vóór en na zowel de ijswateruitdaging als tijdens de ademhalingsoefening.

De onderzoekers ontdekten dat de deelnemers aan de studie consequent in twee verschillende biotypegroepen vielen: degenen wier neuronale activiteit en hartslag tijdens beide tests toenamen, en degenen die de tegenovergestelde trend vertoonden. Het unieke algoritme van het apparaat identificeerde verschillen in de reactie van specifieke zenuwclusters op stressfactoren zoals pijn veroorzaakt door het ijswater en fysieke symptomen zoals zweten en een verhoogde hartslag die verband houden met de getimede ademhalingsuitdaging.

De resultaten zijn opwindend. De array was in staat de activiteit van het autonome zenuwstelsel te registreren en we waren aangenaam verrast toen we een consistente autonome respons waarnamen bij stresstestuitdagingen. Er is echter meer werk nodig om onze detectiecapaciteiten in grotere populaties aan te tonen.”

Todd Coleman, PhD, hoogleraar, afdeling Bio-engineering, UC San Diego Jacobs School of Engineering

E-boek voor het ontdekken van geneesmiddelen

Compilatie van de beste interviews, artikelen en nieuws van het afgelopen jaar. Download een gratis exemplaar

Hoewel de elektrodenbundel niet in staat was de exacte zenuwen te identificeren die vuren als reactie op de stress en pijn van de uitdaging van koud water, hoopten onderzoekers dat het op een dag zou helpen bij het diagnosticeren en behandelen van aandoeningen zoals PTSS en sepsis. De nervus vagus veroorzaakt bijvoorbeeld ontstekingen in het lichaam als reactie op letsel of infectie, een mechanisme dat kan worden verstoord bij PTSS. De auteurs zeiden dat hun nieuwe apparaat artsen uiteindelijk zou kunnen helpen de reactie van patiënten op therapie voor PTSS te meten, zoals: B. Diepe ademhalingsoefeningen die worden gebruikt tijdens mindfulness-meditatie door het monitoren van neuraal vuur in de nervus vagus.

Lerman is al een van de vele onderzoekers die elektrische nervus vagusstimulatie gebruiken om te testen of het stimuleren van deze neurale structuren ontstekingen en pijn bij mensen met PTSS kan verminderen.

De array zou ook de veiligheid kunnen bevorderen van piloten die militaire vliegtuigen besturen door pieken in zenuwactiviteit te detecteren die duizeligheid of misselijkheid veroorzaken.

In ziekenhuizen, zo suggereren de auteurs, zou het apparaat kunnen helpen bij het opsporen van patiënten die vatbaar zijn voor levensbedreigende aandoeningen zoals sepsis, door mensen te identificeren die sterk reageren op fysieke stress.

Sepsis treedt op wanneer het immuunsysteem van het lichaam overdreven reageert op een infectie, waardoor het eigen weefsel wordt beschadigd. Het sterfterisico neemt in de loop van de tijd snel toe, dus technologie die helpt bij het opsporen en signaleren van hoogrisicopatiënten in het ziekenhuis zou artsen een vroegtijdige waarschuwing geven om antibiotica toe te dienen en de kansen van een patiënt vergroten om sepsis te voorkomen of te overleven.

Als volgende stap zijn de onderzoekers van plan de array te integreren met extra hardware voor een draadloze, draagbare sensor die buiten het laboratorium kan worden gebruikt. Onderzoekers ontwikkelen momenteel plannen voor een klinische proef om sepsis in het ziekenhuis op te sporen.

De studie was een interdisciplinaire inspanning waarbij onderzoekers betrokken waren van het UC San Diego Qualcomm Institute, de UC San Diego School of Medicine, de UC San Diego Jacobs School of Engineering (elektrische en computertechniek, materiaalkunde en -techniek, nano-engineering en bio-engineering), het Department of Physics en de Herbert Wertheim School of Public Health and Human Longevity Science, evenals faculteiten van Stanford University en het VA San Diego Healthcare System.

Co-auteurs zijn onder meer: ​​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 en Ramesh Rao, allemaal bij UC San Diego; en Andrew J. Shin, Stanford Universiteit.

De financiering voor dit onderzoek kwam gedeeltelijk uit de Biomedical Advanced Research and Development Authority (Grant 75A50119C00038) en het David en Janice Katz Neural Sensor Research Fund ter nagedachtenis aan Allen E. Wolf.

Bron:

Universiteit van Californië, San Diego

Referentie:

Bu, Y., et al. (2022) Een flexibele elektrodenreeks met een klevend oppervlak dat in staat is tot cervicale elektroneurografie tijdens een sequentiële autonome stress-uitdaging. Wetenschappelijke rapporten. doi.org/10.1038/s41598-022-21817-w.

.