研究人员正在开发一种新设备来非侵入性测量颈神经活动

研究人员正在开发一种新设备来非侵入性测量颈神经活动

加州大学圣地亚哥分校的工程师和医生团队开发了一种非侵入性测量人类颈神经活动的设备，他们称这种新工具可能为脓毒症、感染后危及生命的反应以及创伤后应激障碍（PTSD）等精神疾病患者提供信息并改善治疗。

2022 年 11 月 14 日出版的《科学报告》对该设备进行了描述。

加州大学圣地亚哥分校医学院麻醉学临床教授、资深作者、加州大学圣地亚哥分校高通研究所、加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院和弗吉尼亚州压力卓越中心的高级作者、医学博士伊曼纽尔·勒曼（Imanuel Lerman）表示：“我们首次发现了自主神经（战斗或逃跑与休息和消化）生物型的颈部神经电图证据，这些生物型在应对自主或非自愿神经系统的不同挑战时非常一致。”和心理健康。

这项研究建立在颈部迷走神经的众多基本作用之上，迷走神经的上部从肠道延伸到大脑，提供有关周围内脏器官状态的信息，监测免疫反应和消化等关键身体功能，并在情绪和焦虑症等主要精神疾病中发挥作用。

新设备具有灵活的电极阵列，从颈部前下延伸到颈部上背部，使研究人员能够记录不同神经的电活动。 内置界面可实现实时数据可视化，自定义算法根据神经系统对压力的反应对人们进行分组。

过去，测量颈部神经活动通常需要通过手术植入微电极。 勒曼与共同作者、加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院生物工程系教授托德·科尔曼博士一起，着手通过采用科尔曼与同事乔纳斯·库尼亚万开发的现有技术，开发一种风险较小、侵入性较小的方法。斯坦福大学博士、博士后。 由此产生的柔性阵列可以佩戴长达一天，并且可以随着患者头部和颈部的运动而轻松移动。

为了研究人类自主生物型，或非自愿神经系统对压力做出类似反应的患者群体，研究人员进行了一系列测试，要求研究参与者将手放在冰水中并握住，然后进行定时呼吸练习。 该阵列记录了颈神经信号或颈神经电图，包括受试者在冰水挑战之前和之后以及呼吸练习期间的心率。

研究人员发现，研究参与者始终分为两个不同的生物型组：在两次测试中神经元活动和心率均增加的组，以及表现出相反趋势的组。 该设备独特的算法识别出特定神经簇对压力源（例如冰水引起的疼痛）和身体症状（例如出汗和与定时呼吸挑战相关的心率加快）的反应差异。

结果令人兴奋。 该阵列能够记录自主神经系统活动，我们惊喜地发现在压力测试挑战中一致的自主反应。 然而，还需要做更多的工作来证明我们在更大人群中的感知能力。”

Todd Coleman，博士，加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院生物工程系教授

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尽管电极阵列无法识别响应冷水挑战的压力和疼痛而放电的确切神经，但研究人员希望有一天它能够帮助诊断和治疗创伤后应激障碍和败血症等疾病。 例如，迷走神经会因受伤或感染而引发体内炎症，这种机制在创伤后应激障碍（PTSD）中可能会被破坏。 作者表示，他们的新设备最终可以帮助临床医生测量患者对 PTSD 治疗的反应，例如： B. 通过监测迷走神经的神经放电，在正念冥想期间使用深呼吸练习。

勒曼已经是使用迷走神经电刺激来测试刺激这些神经结构是否可以减轻创伤后应激障碍患者的炎症和疼痛的几位研究人员之一。

该阵列还可以通过检测引发头晕或恶心的神经活动激增来提高操作军用飞机的飞行员的安全。

作者表示，在医院里，该设备可以通过识别对身体压力反应强烈的人来帮助检测容易患败血症等危及生命疾病的患者。

当身体的免疫系统对感染反应过度，损害自身组织时，就会发生脓毒症。 随着时间的推移，死亡风险迅速增加，因此帮助检测和标记医院中高危患者的技术将为医生提供早期警告，以使用抗生素并提高患者避免败血症或存活下来的机会。

下一步，研究人员计划将该阵列与附加硬件集成，形成可在实验室外使用的无线可穿戴传感器。 研究人员目前正在制定一项临床试验计划，以检测医院的败血症。

这项研究是一项跨学科的工作，涉及来自加州大学圣地亚哥分校高通研究所、加州大学圣地亚哥分校医学院、加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院（电气和计算机工程、材料科学与工程、纳米工程和生物工程）、物理系和赫伯特·沃特海姆公共卫生与人类长寿科学学院的研究人员，以及来自斯坦福大学和退伍军人管理局圣地亚哥医疗系统的教师。

合著者包括：Yfeng 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 和 Ramesh Rao，均来自加州大学圣地亚哥分校； 和安德鲁·J·辛（Andrew J. Shin），斯坦福大学。

这项研究的部分资金来自生物医学高级研究与开发局（拨款 75A50119C00038）以及纪念 Allen E. Wolf 的 David 和 Janice Katz 神经传感器研究基金。

来源：

加州大学圣地亚哥分校

参考：

Bu，Y.，等人。 (2022) 一种具有粘合表面的柔性电极阵列，能够在连续自主应激挑战期间进行颈部神经电图检查。 科学报告。 doi.org/10.1038/s41598-022-21817-w 。

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