Výskumníci vyvíjajú nové zariadenie na neinvazívne meranie aktivity krčných nervov

Výskumníci vyvíjajú nové zariadenie na neinvazívne meranie aktivity krčných nervov

Tím inžinierov a lekárov z Kalifornskej univerzity v San Diegu vyvinul zariadenie na neinvazívne meranie aktivity krčných nervov u ľudí, nový nástroj, ktorý by podľa nich mohol potenciálne poskytnúť informácie a zlepšiť liečbu pacientov so sepsou, život ohrozujúcou reakciou na infekciu a duševnými chorobami, ako je posttraumatická stresová porucha (PTSD).

Zariadenie je popísané vo vydaní vedeckých správ zo 14. novembra 2022.

"Prvýkrát sme identifikovali cervikálny elektroneurografický dôkaz autonómnych biotypov (boj alebo útek verzus odpočinok a trávenie), ktoré sú pozoruhodne konzistentné pri rôznych problémoch s autonómnym alebo nedobrovoľným nervovým systémom, " povedal hlavný autor Imanuel Lerman, MD, klinický profesor anestéziológie na UC San Diego School of Medicine na ďalších stretnutiach na Inštitúte UC San Diego, Qual UC. Jacobs School of Engineering a VA Center of Excellence pre stres a duševné zdravie.

Výskum stavia na početných a základných úlohách cervikálneho blúdivého nervu, hornej časti blúdivého nervu, ktorý prechádza z čreva do mozgu, poskytuje informácie o stave okolitých vnútorných orgánov a monitoruje kritické telesné funkcie, ako je imunitná odpoveď a trávenie, a hrá úlohu pri závažných psychiatrických ochoreniach, ako sú náladové a úzkostné poruchy.

Nové zariadenie obsahuje flexibilné pole elektród, ktoré siahajú od spodnej prednej časti po hornú zadnú časť krku, čo umožňuje výskumníkom zaznamenávať elektrickú aktivitu naprieč rôznymi nervami. Vstavané rozhranie umožňuje vizualizáciu údajov v reálnom čase a vlastný algoritmus zoskupuje ľudí podľa reakcie ich nervového systému na stres.

V minulosti si meranie nervovej aktivity v krku často vyžadovalo chirurgickú implantáciu mikroelektród. Lerman, spolu so spoluautorom Toddom Colemanom, PhD, profesorom na oddelení bioinžinierstva na UC San Diego Jacobs School of Engineering, sa rozhodli vyvinúť menej riskantnú a menej invazívnu metódu prispôsobením existujúcej technológie, ktorú Coleman vyvinul s kolegom Jonasom Kurniawanom. PhD, postdoktorand na Stanfordskej univerzite. Výsledné flexibilné pole možno nosiť až jeden deň a ľahko sa pohybuje podľa pohybov hlavy a krku pacienta.

Na štúdium ľudských autonómnych biotypov alebo skupín pacientov, ktorých mimovoľné nervové systémy reagovali podobne na stres, vedci vykonali sériu testov, v ktorých boli účastníci štúdie požiadaní, aby položili a podržali ruku v ľadovej vode, po čom nasledovalo dýchacie cvičenie. Pole zaznamenávalo cervikálne nervové signály alebo cervikálnu elektroneurografiu, vrátane srdcovej frekvencie u subjektov pred a po stimulácii ľadovou vodou a počas dychového cvičenia.

Vedci zistili, že účastníci štúdie konzistentne spadali do dvoch odlišných biotypových skupín: tí, ktorých neuronálna aktivita a srdcová frekvencia sa zvýšili počas oboch testov, a tí, ktorí vykazovali opačný trend. Jedinečný algoritmus zariadenia identifikoval rozdiely v reakcii špecifických nervových zhlukov na stresory, ako je bolesť spôsobená ľadovou vodou a fyzické symptómy, ako je potenie a zvýšená srdcová frekvencia spojená s načasovanou dýchacou výzvou.

Výsledky sú vzrušujúce. Pole dokázalo zaznamenať aktivitu autonómneho nervového systému a boli sme príjemne prekvapení, keď sme pozorovali konzistentnú autonómnu reakciu pri záťažových testoch. Je však potrebné viac práce, aby sme demonštrovali naše snímacie schopnosti vo väčších populáciách.“

Todd Coleman, PhD, profesor, Katedra bioinžinierstva, UC San Diego Jacobs School of Engineering

E-kniha Objavovanie drog

Kompilácia top rozhovorov, článkov a noviniek za posledný rok. Stiahnite si bezplatnú kópiu

Hoci elektródové pole nedokázalo identifikovať presné nervy, ktoré vybuchnú v reakcii na stres a bolesť vyvolanú výzvou studenej vody, vedci dúfali, že jedného dňa pomôže diagnostikovať a liečiť stavy ako PTSD a sepsa. Napríklad blúdivý nerv spúšťa zápal v tele v reakcii na zranenie alebo infekciu, čo je mechanizmus, ktorý môže byť narušený pri PTSD. Autori uviedli, že ich nové zariadenie by nakoniec mohlo pomôcť lekárom merať odpoveď pacientov na terapiu PTSD, ako napríklad: B. Cvičenia hlbokého dýchania používané počas meditácie všímavosti pomocou monitorovania neurálneho impulzu v nervu vagus.

Lerman je už jedným z niekoľkých výskumníkov, ktorí používajú elektrickú stimuláciu blúdivého nervu na testovanie, či stimulácia týchto nervových štruktúr môže znížiť zápal a bolesť u ľudí s PTSD.

Súbor by tiež mohol podporiť bezpečnosť pilotov prevádzkujúcich vojenské lietadlá tým, že zisťuje návaly nervovej aktivity, ktoré vyvolávajú závraty alebo nevoľnosť.

Autori naznačujú, že v nemocniciach by zariadenie mohlo pomôcť odhaliť pacientov náchylných na život ohrozujúce stavy, ako je sepsa, identifikáciou ľudí, ktorí silne reagujú na fyzický stres.

Sepsa nastáva, keď imunitný systém tela prehnane reaguje na infekciu a poškodzuje svoje vlastné tkanivo. Riziko úmrtnosti sa v priebehu času rýchlo zvyšuje, takže technológia, ktorá pomáha odhaliť a označiť vysokorizikových pacientov v nemocnici, by dala lekárom včasné varovanie pred podaním antibiotík a zlepšila by šance pacienta vyhnúť sa sepse alebo ju prežiť.

Ako ďalší krok výskumníci plánujú integrovať pole s ďalším hardvérom pre bezdrôtový nositeľný senzor, ktorý možno použiť mimo laboratória. Výskumníci v súčasnosti vyvíjajú plány na klinickú skúšku na detekciu sepsy v nemocnici.

Štúdia bola interdisciplinárnym úsilím zahŕňajúcim výskumníkov z UC San Diego Qualcomm Institute, UC San Diego School of Medicine, UC San Diego Jacobs School of Engineering (elektrické a počítačové inžinierstvo, materiálová veda a inžinierstvo, nanoinžinierstvo a bioinžinierstvo), Katedry fyziky a Herbert Wertheim School of Public Health and Human Longevity Science and the fakulta na Stanfordskej univerzite. Systém zdravotnej starostlivosti VA San Diego.

Medzi spoluautorov patria: 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 a Ramesh Rao, všetci na UC San Diego; a Andrew J. Shin, Stanfordská univerzita.

Financovanie tohto výskumu čiastočne pochádzalo od Biomedical Advanced Research and Development Authority (Grant 75A50119C00038) a David and Janice Katz Neural Sensor Research Fund na pamiatku Allena E. Wolfa.

Zdroj:

Kalifornská univerzita, San Diego

Referencia:

Bu, Y., a kol. (2022) Flexibilné pole elektród s adhéznym povrchom schopným cervikálnej elektroneurografie počas sekvenčného autonómneho stresu. Vedecké správy. doi.org/10.1038/s41598-022-21817-w.

.