Forskare utvecklar en ny apparat för att icke-invasivt mäta cervikal nervaktivitet

Forskare utvecklar en ny apparat för att icke-invasivt mäta cervikal nervaktivitet

Ett team av ingenjörer och läkare vid University of California, San Diego, har utvecklat en enhet för att icke-invasivt mäta cervikal nervaktivitet hos människor, ett nytt verktyg som de säger potentiellt skulle kunna ge information och förbättra behandlingar för patienter med sepsis, en livshotande reaktion på infektion och psykiska sjukdomar som posttraumatisk stressyndrom (PTSD).

Enheten beskrivs i numret av Scientific Reports den 14 november 2022.

"För första gången har vi identifierat cervikala elektroneurografiska bevis på autonoma (kamp eller flykt kontra vila och smältning) biotyper som är anmärkningsvärt konsekventa över olika utmaningar för det autonoma eller ofrivilliga nervsystemet", säger seniorförfattaren Imanuel Lerman, MD, klinisk professor i anestesiologi vid UC San Diego School of Medicine vid UC San Diego School of Medicine, med ytterligare UCap com, San Diego Institute Diego Jacobs School of Engineering och VA Center of Excellence for Stress and Mental Health.

Forskningen bygger på de många och grundläggande rollerna för den cervikala vagusnerven, den övre delen av vagusnerven som löper från tarmen till hjärnan, ger information om status för omgivande inre organ och övervakar kritiska kroppsfunktioner såsom immunsvar och matsmältning, och spelar en roll vid allvarliga psykiatriska sjukdomar och ångest.

Den nya enheten har en flexibel uppsättning elektroder som sträcker sig från den nedre framsidan till den övre baksidan av nacken, vilket gör att forskare kan registrera elektrisk aktivitet över olika nerver. Ett inbyggt gränssnitt möjliggör datavisualisering i realtid, och en anpassad algoritm grupperar människor efter deras nervsystems reaktion på stress.

Tidigare krävde mätning av nervaktivitet i nacken ofta kirurgisk implantation av mikroelektroder. Lerman, tillsammans med medförfattaren Todd Coleman, PhD, professor vid institutionen för bioteknik vid UC San Diego Jacobs School of Engineering, satte sig för att utveckla en mindre riskabel och mindre invasiv metod genom att anpassa befintlig teknik som Coleman hade utvecklat tillsammans med kollegan Jonas Kurniawan. PhD, postdoktor vid Stanford University. Den resulterande flexibla arrayen kan bäras i upp till en dag och rör sig lätt med patientens huvud- och nackerörelser.

För att studera mänskliga autonoma biotyper, eller grupper av patienter vars ofrivilliga nervsystem svarade på liknande sätt på stress, genomförde forskarna en serie tester där studiedeltagarna ombads att placera och hålla sin hand i isvatten, följt av en tidsinställd andningsövning. Arrayen registrerade cervikala nervsignaler eller cervikal elektroneurografi, inklusive hjärtfrekvens hos försökspersoner före och efter både isvattenutmaningen och under andningsövningen.

Forskarna fann att studiedeltagare konsekvent föll i två distinkta biotypgrupper: de vars neuronala aktivitet och hjärtfrekvens ökade under båda testerna, och de som visade motsatt trend. Enhetens unika algoritm identifierade skillnader i svaret hos specifika nervkluster på stressfaktorer som smärta orsakad av isvattnet och fysiska symtom som svettning och ökad hjärtfrekvens i samband med den tidsinställda andningsutmaningen.

Resultaten är spännande. Arrayen kunde registrera aktiviteten i det autonoma nervsystemet, och vi blev positivt överraskade över att observera ett konsekvent autonomt svar över stresstestutmaningar. Men det krävs mer arbete för att visa vår avkänningsförmåga i större populationer."

Todd Coleman, PhD, professor, Institutionen för bioteknik, UC San Diego Jacobs School of Engineering

Drug Discovery E-bok

Sammanställning av de bästa intervjuerna, artiklarna och nyheterna från det senaste året. Ladda ner en gratis kopia

Även om elektroduppsättningen inte kunde identifiera de exakta nerverna som avfyras som svar på stressen och smärtan från kallvattenutmaningen, hoppades forskarna att den en dag kommer att hjälpa till att diagnostisera och behandla tillstånd som PTSD och sepsis. Till exempel utlöser vagusnerven inflammation i kroppen som svar på skada eller infektion, en mekanism som kan störas vid PTSD. Författarna sa att deras nya enhet så småningom skulle kunna hjälpa kliniker att mäta patienternas svar på terapi för PTSD, såsom: B. Djupa andningsövningar som används under mindfulness-meditation genom att övervaka neural avfyring i vagusnerven.

Lerman är redan en av flera forskare som använder elektrisk vagusnervstimulering för att testa om stimulering av dessa neurala strukturer kan minska inflammation och smärta hos personer med PTSD.

Arrayen kan också främja säkerheten för piloter som använder militära flygplan genom att upptäcka ökningar i nervaktivitet som utlöser yrsel eller illamående.

På sjukhus, föreslår författarna, kan enheten hjälpa till att upptäcka patienter som är mottagliga för livshotande tillstånd som sepsis genom att identifiera personer som reagerar starkt på fysisk stress.

Sepsis uppstår när kroppens immunsystem överreagerar på en infektion och skadar sin egen vävnad. Mortalitetsrisken ökar snabbt över tiden, så teknik som hjälper till att upptäcka och flagga högriskpatienter på sjukhuset skulle ge läkare en tidig varning för att administrera antibiotika och förbättra en patients chanser att undvika eller överleva sepsis.

Som ett nästa steg planerar forskarna att integrera arrayen med ytterligare hårdvara för en trådlös, bärbar sensor som kan användas utanför laboratoriet. Forskare utvecklar för närvarande planer för en klinisk prövning för att upptäcka sepsis på sjukhuset.

Studien var en tvärvetenskaplig ansträngning som involverade forskare från UC San Diego Qualcomm Institute, UC San Diego School of Medicine, UC San Diego Jacobs School of Engineering (elektro- och datateknik, materialvetenskap och ingenjörskonst, nanoteknik och bioteknik), Institutionen för fysik och Herbert Wertheim School of Public Health and Humanity, samt från SanVA University, Stango University och The Longevity. Sjukvårdssystem.

Medförfattare inkluderar: 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 och Ramesh Rao, alla vid UC San Diego; och Andrew J. Shin, Stanford University.

Finansiering för denna forskning kom delvis från Biomedical Advanced Research and Development Authority (Grant 75A50119C00038) och David och Janice Katz Neural Sensor Research Fund till minne av Allen E. Wolf.

Källa:

University of California, San Diego

Hänvisning:

Bu, Y., et al. (2022) En flexibel elektroduppsättning med en adhesiv yta som kan utföra cervikal elektroneurografi under en sekventiell autonom stressutmaning. Vetenskapliga rapporter. doi.org/10.1038/s41598-022-21817-w.

.