Naukowcy opracowują nowe urządzenie do nieinwazyjnego pomiaru aktywności nerwu szyjnego

Naukowcy opracowują nowe urządzenie do nieinwazyjnego pomiaru aktywności nerwu szyjnego

Zespół inżynierów i lekarzy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego opracował urządzenie do nieinwazyjnego pomiaru aktywności nerwu szyjnego u ludzi. Nowe narzędzie, które ich zdaniem może potencjalnie dostarczyć informacji i ulepszyć leczenie pacjentów z sepsą, zagrażającą życiu reakcją na infekcję i chorobami psychicznymi, takimi jak zespół stresu pourazowego (PTSD).

Urządzenie opisano w wydaniu Scientific Reports z 14 listopada 2022 roku.

„Po raz pierwszy zidentyfikowaliśmy elektroneurograficzne dowody biotypów autonomicznych (walcz lub uciekaj kontra odpoczynek i trawienie) w szyjce macicy, które są niezwykle spójne w przypadku różnych wyzwań dla autonomicznego lub mimowolnego układu nerwowego” – powiedział starszy autor Imanuel Lerman, lekarz medycyny, profesor kliniczny anestezjologii w Szkole Medycznej Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego. Dodatkowe wizyty w Instytucie Qualcomm Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego, Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego Jacobs School of Engineering i Centrum Doskonałości VA ds. Stresu i Zdrowia Psychicznego.

Badania opierają się na licznych i podstawowych rolach nerwu błędnego szyjnego, górnej części nerwu błędnego biegnącego od jelit do mózgu, dostarczającego informacji o stanie otaczających narządów wewnętrznych i monitorującego krytyczne funkcje organizmu, takie jak odpowiedź immunologiczna i trawienie, a także odgrywającego rolę w poważnych chorobach psychicznych, takich jak zaburzenia nastroju i stany lękowe.

Nowe urządzenie jest wyposażone w elastyczny układ elektrod rozciągających się od dolnej części przedniej części szyi do górnej części tylnej części szyi, umożliwiając naukowcom rejestrowanie aktywności elektrycznej różnych nerwów. Wbudowany interfejs pozwala na wizualizację danych w czasie rzeczywistym, a niestandardowy algorytm grupuje ludzi według reakcji ich układu nerwowego na stres.

W przeszłości pomiar aktywności nerwów w szyi często wymagał chirurgicznego wszczepienia mikroelektrod. Lerman wraz ze współautorem dr Toddem Colemanem, profesorem na Wydziale Bioinżynierii w Jacobs School of Engineering Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego, postanowili opracować mniej ryzykowną i mniej inwazyjną metodę, dostosowując istniejącą technologię, którą Coleman opracował wraz ze swoim kolegą Jonasem Kurniawanem. Doktor, staż podoktorski na Uniwersytecie Stanforda. Powstały elastyczny zestaw można nosić nawet przez jeden dzień i łatwo dopasowuje się do ruchów głowy i szyi pacjenta.

Aby zbadać ludzkie biotypy autonomiczne, czyli grupy pacjentów, których mimowolny układ nerwowy reagował podobnie na stres, badacze przeprowadzili serię testów, podczas których uczestnicy badania zostali poproszeni o umieszczenie i trzymanie dłoni w lodowatej wodzie, a następnie wykonanie ćwiczeń oddechowych w określonym czasie. Matryca rejestrowała sygnały nerwów szyjnych lub elektroneurografię szyjki macicy, w tym tętno u osób przed i po prowokacji wodą z lodem oraz podczas ćwiczeń oddechowych.

Naukowcy odkryli, że uczestnicy badania konsekwentnie dzielili się na dwie odrębne grupy biotypów: tych, których aktywność neuronalna i tętno wzrosły podczas obu testów, oraz tych, którzy wykazali odwrotną tendencję. Unikalny algorytm urządzenia zidentyfikował różnice w reakcji określonych skupisk nerwowych na czynniki stresogenne, takie jak ból spowodowany lodowatą wodą i objawy fizyczne, takie jak pocenie się i zwiększone tętno, związane z wyzwaniem oddychania w określonym czasie.

Wyniki są ekscytujące. Tablica była w stanie zarejestrować aktywność autonomicznego układu nerwowego i byliśmy mile zaskoczeni, gdy zaobserwowaliśmy spójną reakcję autonomiczną w przypadku wyzwań w testach wysiłkowych. Jednak potrzeba więcej pracy, aby wykazać nasze możliwości wykrywania w większych populacjach”.

Todd Coleman, doktor, profesor, Wydział Bioinżynierii, UC San Diego Jacobs School of Engineering

Książka elektroniczna o odkrywaniu leków

Zestawienie najważniejszych wywiadów, artykułów i aktualności z ostatniego roku. Pobierz bezpłatną kopię

Chociaż układ elektrod nie był w stanie zidentyfikować dokładnie nerwów, które reagują na stres i ból wywołany kontaktem z zimną wodą, badacze mieli nadzieję, że pewnego dnia pomoże on w diagnozowaniu i leczeniu takich schorzeń, jak zespół stresu pourazowego (PTSD) i sepsa. Na przykład nerw błędny wywołuje stan zapalny w organizmie w odpowiedzi na uraz lub infekcję, a mechanizm ten może zostać zakłócony w przypadku zespołu stresu pourazowego (PTSD). Autorzy twierdzą, że ich nowe urządzenie może ostatecznie pomóc klinicystom w pomiarze reakcji pacjentów na terapię PTSD, taką jak: B. Ćwiczenia głębokiego oddychania stosowane podczas medytacji uważności poprzez monitorowanie pobudzeń neuronowych nerwu błędnego.

Lerman jest już jednym z kilku badaczy stosujących elektryczną stymulację nerwu błędnego do sprawdzenia, czy stymulacja tych struktur nerwowych może zmniejszyć stan zapalny i ból u osób z zespołem stresu pourazowego (PTSD).

Układ mógłby również zwiększać bezpieczeństwo pilotów obsługujących samoloty wojskowe, wykrywając wzrosty aktywności nerwów wywołujące zawroty głowy lub nudności.

Autorzy sugerują, że w szpitalach urządzenie mogłoby pomóc w wykrywaniu pacjentów podatnych na stany zagrażające życiu, takie jak sepsa, poprzez identyfikację osób, które silnie reagują na stres fizyczny.

Sepsa występuje, gdy układ odpornościowy organizmu nadmiernie reaguje na infekcję, uszkadzając własne tkanki. Ryzyko śmiertelności szybko wzrasta z biegiem czasu, więc technologia pomagająca wykrywać i sygnalizować w szpitalu pacjentów wysokiego ryzyka, ostrzegałaby lekarzy o konieczności podania antybiotyków i zwiększałaby szanse pacjenta na uniknięcie sepsy lub jej przeżycie.

W kolejnym kroku badacze planują zintegrować macierz z dodatkowym sprzętem w celu uzyskania bezprzewodowego, przenośnego czujnika, którego można używać poza laboratorium. Naukowcy opracowują obecnie plany badania klinicznego mającego na celu wykrycie sepsy w szpitalu.

Badanie było przedsięwzięciem interdyscyplinarnym, w którym uczestniczyli naukowcy z Instytutu Qualcomm Uniwersytetu Kalifornijskiego, Szkoły Medycznej Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego, Szkoły Inżynierii Jacobs Uniwersytetu Kalifornijskiego (inżynieria elektryczna i komputerowa, inżynieria i inżynieria materiałowa, nanoinżynieria i bioinżynieria), Wydziału Fizyki oraz Szkoły Zdrowia Publicznego i Długowieczności Człowieka Herberta Wertheima oraz wykładowców Uniwersytetu Stanforda i Instytutu System opieki zdrowotnej VA San Diego.

Współautorami są: 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 i Ramesh Rao, wszyscy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego; i Andrew J. Shin z Uniwersytetu Stanforda.

Finansowanie tych badań pochodziło częściowo z Urzędu ds. Zaawansowanych Badań i Rozwoju Biomedycznego (grant 75A50119C00038) oraz z funduszu badawczego czujników neuronowych Davida i Janice Katzów ku pamięci Allena E. Wolfa.

Źródło:

Uniwersytet Kalifornijski w San Diego

Odniesienie:

Bu, Y. i in. (2022) Elastyczny układ elektrod z przyczepną powierzchnią umożliwiający elektroneurografię szyjki macicy podczas sekwencyjnego wyzwania związanego ze stresem autonomicznym. Raporty naukowe. doi.org/10.1038/s41598-022-21817-w.

.