Forskere utvikler en ny enhet for ikke-invasiv måling av cervikal nerveaktivitet

Forskere utvikler en ny enhet for ikke-invasiv måling av cervikal nerveaktivitet

Et team av ingeniører og leger ved University of California, San Diego, har utviklet en enhet for ikke-invasiv måling av cervikal nerveaktivitet hos mennesker, et nytt verktøy som de sier potensielt kan gi informasjon og forbedre behandlinger for pasienter med sepsis, en livstruende reaksjon på infeksjon og psykiske sykdommer som posttraumatisk stresslidelse (PTSD).

Enheten er beskrevet i 14. november 2022-utgaven av Scientific Reports.

"For første gang har vi identifisert cervikale elektroneurografiske bevis på autonome (kamp eller flukt versus hvile og fordøyelse) biotyper som er bemerkelsesverdig konsistente på tvers av ulike utfordringer til det autonome eller ufrivillige nervesystemet," sa seniorforfatter Imanuel Lerman, MD, klinisk professor i anestesiologi ved UC San Diego School of Medicine ved San Diego Institute of Medicine ved San Diego Institute of Medicine ved San Diego com. Diego Jacobs School of Engineering og VA Center of Excellence for Stress and Mental Health.

Forskningen bygger på de mange og grunnleggende rollene til den cervikale vagusnerven, den øvre delen av vagusnerven som går fra tarmen til hjernen, gir informasjon om statusen til omkringliggende indre organer, og overvåker kritiske kroppsfunksjoner som immunrespons og fordøyelse, og spiller en rolle ved store psykiatriske lidelser og angstlidelser.

Den nye enheten har et fleksibelt utvalg av elektroder som strekker seg fra nedre front til øvre bakre del av nakken, slik at forskere kan registrere elektrisk aktivitet på tvers av forskjellige nerver. Et innebygd grensesnitt gir mulighet for sanntidsdatavisualisering, og en tilpasset algoritme grupperer folk i henhold til nervesystemets respons på stress.

Tidligere krevde måling av nerveaktivitet i nakken ofte kirurgisk implantasjon av mikroelektroder. Lerman, sammen med medforfatter Todd Coleman, PhD, professor ved Institutt for bioingeniør ved UC San Diego Jacobs School of Engineering, satte seg fore å utvikle en mindre risikabel og mindre invasiv metode ved å tilpasse eksisterende teknologi som Coleman hadde utviklet sammen med kollega Jonas Kurniawan. PhD, postdoktor ved Stanford University. Den resulterende fleksible matrisen kan bæres i opptil en dag og beveger seg lett med pasientens hode- og nakkebevegelser.

For å studere menneskelige autonome biotyper, eller grupper av pasienter hvis ufrivillige nervesystem reagerte på samme måte som stress, utførte forskere en serie tester der studiedeltakerne ble bedt om å plassere og holde hånden i isvann, etterfulgt av en tidsbestemt pusteøvelse. Arrayen registrerte cervikale nervesignaler eller cervikal elektroneurografi, inkludert hjertefrekvens hos forsøkspersoner før og etter både isvannsutfordringen og under pusteøvelsen.

Forskerne fant at studiedeltakerne konsekvent falt i to forskjellige biotypegrupper: de hvis nevronale aktivitet og hjertefrekvens økte under begge testene, og de som viste motsatt trend. Enhetens unike algoritme identifiserte forskjeller i responsen til spesifikke nerveklynger på stressfaktorer som smerte forårsaket av isvannet og fysiske symptomer som svette og økt hjertefrekvens assosiert med den tidsbestemte pusteutfordringen.

Resultatene er spennende. Arrayen var i stand til å registrere aktivitet i det autonome nervesystemet, og vi ble positivt overrasket over å observere en konsistent autonom respons på tvers av stresstestingsutfordringer. Det er imidlertid nødvendig med mer arbeid for å demonstrere sanseevnene våre i større populasjoner.»

Todd Coleman, PhD, professor, Institutt for bioingeniørvitenskap, UC San Diego Jacobs School of Engineering

Drug Discovery E-bok

Sammenstilling av de beste intervjuene, artikler og nyheter fra det siste året. Last ned en gratis kopi

Selv om elektrodegruppen ikke var i stand til å identifisere de eksakte nervene som brann som svar på stresset og smerten ved kaldtvannsutfordringen, håpet forskerne at den en dag vil hjelpe til med å diagnostisere og behandle tilstander som PTSD og sepsis. For eksempel utløser vagusnerven betennelse i kroppen som svar på skade eller infeksjon, en mekanisme som kan forstyrres ved PTSD. Forfatterne sa at deres nye enhet til slutt kan hjelpe klinikere med å måle pasienters respons på terapi for PTSD, slik som: B. Dyppusteøvelser brukt under mindfulness-meditasjon ved å overvåke nevrale avfyring i vagusnerven.

Lerman er allerede en av flere forskere som bruker elektrisk vagusnervestimulering for å teste om stimulering av disse nevrale strukturene kan redusere betennelse og smerte hos personer med PTSD.

Arrayet kan også fremme sikkerheten til piloter som opererer militære fly ved å oppdage bølger i nerveaktivitet som utløser svimmelhet eller kvalme.

På sykehus, foreslår forfatterne, kan enheten bidra til å oppdage pasienter som er mottakelige for livstruende tilstander som sepsis ved å identifisere personer som reagerer sterkt på fysisk stress.

Sepsis oppstår når kroppens immunsystem overreagerer på en infeksjon, og skader sitt eget vev. Dødelighetsrisikoen øker raskt over tid, så teknologi som hjelper til med å oppdage og flagge høyrisikopasienter på sykehuset vil gi leger en tidlig advarsel om å administrere antibiotika og forbedre en pasients sjanser for å unngå eller overleve sepsis.

Som et neste trinn planlegger forskerne å integrere arrayet med ekstra maskinvare for en trådløs, bærbar sensor som kan brukes utenfor laboratoriet. Forskere utvikler for tiden planer for en klinisk studie for å oppdage sepsis på sykehuset.

Studien var en tverrfaglig innsats som involverte forskere fra UC San Diego Qualcomm Institute, UC San Diego School of Medicine, UC San Diego Jacobs School of Engineering (elektro- og datateknikk, materialvitenskap og ingeniørfag, nanoingeniør og bioingeniørfag), Institutt for fysikk og Herbert Wertheim School of Public Health and Human Science, samt Stango University, samt Stango University, The Longevity. Helsevesenet.

Medforfattere inkluderer: 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 forskningen kom delvis fra Biomedical Advanced Research and Development Authority (Grant 75A50119C00038) og David og Janice Katz Neural Sensor Research Fund til minne om Allen E. Wolf.

Kilde:

University of California, San Diego

Referanse:

Bu, Y., et al. (2022) En fleksibel elektrodegruppe med en klebende overflate som er i stand til cervikal elektroneurografi under en sekvensiell autonom stressutfordring. Vitenskapelige rapporter. doi.org/10.1038/s41598-022-21817-w.

.