Исследовательская группа под руководством Калифорнийского университета в Сан-Диего впервые продемонстрировала, что носимое неинвазивное устройство может измерять активность шейных нервов человека в клинических условиях.

Устройство регистрирует то, что команда называет автономной нейрографией (АНГ), ​​нейронную активность блуждающего нерва и каротидного синуса человека , а также других автономных нервов, обнаруженных в коже и мышцах шеи.

Блуждающий нерв — это «супермагистраль» непроизвольной нервной системы, отростки которой простираются от основания черепа через туловище и живот, влияя на пищеварение, частоту сердечных сокращений и иммунную систему .

Блуждающий нерв играет ключевую роль в воспалительной реакции организма на травму или инфекцию и стал объектом исследований таких смертельных состояний, как сепсис — основная причина смерти в отделениях неотложной помощи, от которой ежегодно в США умирает не менее 1,7 миллиона взрослых, по данным Национального института общих медицинских наук, а также посттравматическое стрессовое расстройство , которым, по данным Национального института психического здоровья, страдают около 3,5% населения.

Чтобы предоставить медицинским работникам клинически проверенный инструмент для определения уровней активности вегетативной нервной системы в режиме реального времени — раннего признака стресса в организме, исследователи разработали гибкую, интегрированную с клеем электродную решетку (о чем сообщается в статье в Scientific Reports за 2022 год ).

В текущем исследовании, опубликованном 29 июля 2024 года в журнале Nature Communications Biology , этот подход использовался с целью обнаружения глубокой нейронной активности в имитируемой клинической модели гипервоспалительного процесса.

Исследователь прикладывает оптически накачиваемый магнитометр (ОПМ) к шее человека. ОПМ может неинвазивно измерять нейронную активность в основных нервах шеи человека, позволяя исследователям отслеживать воспалительную реакцию организма. Кредит: Qualcomm Institute/UC San Diego
«Мы воодушевлены нашими результатами. Устройство готово стать ранним диагностическим маркером патогенной инфекции или воспаления, вызванного патологическим процессом», — сказал старший автор исследования Имануэль Лерман, руководитель лаборатории Лермана в Институте Qualcomm Калифорнийского университета в Сан-Диего, Медицинской школе и Инженерной школе Джейкобса, а также Центра передового опыта в области стресса и психического здоровья Министерства по делам ветеранов.

Лерман — основатель InflammaSense Inc, компании, которая лицензирует технологию устройства. «Основываясь на результатах исследования, мы сейчас внедряем устройство в отделениях интенсивной терапии Медицинского центра Jacobs в UC San Diego Health. Устройство будет обнаруживать раннюю непроизвольную нервную сигнализацию, указывающую на приближающийся сепсис».

Трой Бу, аспирант кафедры электротехники и вычислительной техники Школы Джейкобса, является первым автором исследования.

В режиме реального времени в отделении неотложной помощи
Для замены хирургически имплантированных микроэлектродов для мониторинга или активации блуждающего нерва новое устройство использует мощную технологию под названием «магнитонейрография» для более точного неинвазивного обнаружения активации шейного нерва в режиме реального времени . Устройство обнаруживает магнитные поля, возникающие в результате активности блуждающего нерва и нервов каротидного синуса, которые «пульсируют», предупреждая непроизвольную нервную систему об угрозе.

Исследователи протестировали устройство на девяти взрослых людях. У пациентов брали кровь и плазму на предмет базовых уровней воспалительных белков, называемых цитокинами. Затем им вводили токсины бактериального происхождения, называемые липополисахаридами, вызывая временное гипервоспалительное состояние в организме, которое имитировало воспаление, связанное с инфекцией крови.

Исследователи используют оптически накачиваемые магнитометры для неинвазивного измерения активности шейных нервов человека. Эта технология может помочь медицинским специалистам адаптировать методы лечения воспалительных заболеваний, таких как сепсис и посттравматическое стрессовое расстройство. Кредит: Qualcomm Institute/UC San Diego
Внутри магнитно-экранированной комнаты в Центре магнитоэнцефалографии Qualcomm Institute UC San Diego исследователи разместили датчики своего устройства в точках блуждающего нерва под правым ухом и над правой сонной артерией, где находятся как блуждающий нерв , так и нерв каротидного синуса. Устройство отслеживало частоту сердечных сокращений и магнитные поля, возникающие в результате активности нервов.

В течение получаса после инъекции пациентам липополисахаридов устройство обнаружило изменения в активности их нервов под правым ухом.

Исследователи подтвердили рост нервной активности и высвобождение воспалительных белков через образцы крови. Они также зафиксировали изменения частоты сердечных сокращений на протяжении всего времени, а также заметную связь между нервным возбуждением в обоих местах и ​​изменениями в определенном воспалительном цитокине, называемом некрозом опухоли альфа, или TNF-α, и противовоспалительном цитокине, называемом IL-10.

ФНО-α является своего рода вестником: у пациентов с высоким уровнем этого гормона повышается риск развития септического шока — смертельно опасного состояния, при котором воспалительная реакция организма выходит за рамки нормы и вызывает разрушительные системные эффекты, которые в конечном итоге могут привести к смерти.

Исследователи разместили оптически накачиваемые магнитометры (ОПМ), показанные в пунктирных красных рамках, на правой стороне шейного отдела шеи участников исследования. Два ОПМ регистрировали нейронную реакцию участников, называемую «автономной нейрографией» (АНГ), ​​на воспаление. Кредит: Имануэль Лерман/UC San Diego
С другой стороны, повышенный уровень ИЛ-10 может указывать на то, что у пациентов существует риск иммунопаралича — состояния, которое возникает при сепсисе, когда иммунные клетки неспособны бороться ни с чужеродными, ни с резидентными микробами, ни с резидентными вирусами, что может привести к неконтролируемой инфекции и смерти.

«При сепсисе каждая минута имеет значение, и раннее лечение спасает жизни», — сказал Бу. «Раннее выявление сепсиса имеет решающее значение, поскольку каждый час, когда сепсис не лечится, вероятность смерти увеличивается на семь процентов. Наша технология может предоставить врачам ранний предупреждающий признак гипериммунного или иммунопаралитического ответа при сепсисе. Затем врачи могут предоставить правильное лечение как можно быстрее».

Как и в исследовании 2022 года, исследователи снова обнаружили, что пациенты разделились на группы с различными реакциями на стресс от инъекции. У некоторых пациентов наблюдались более высокие пики в присутствии воспалительных белков и более сильные побочные эффекты, в то время как у других пики были ниже.

Исследователь из Калифорнийского университета в Сан-Диего Трой Бу демонстрирует размещение оптически накачиваемых магнитометров на шее добровольца. Источник: Qualcomm Institute/UC San Diego.
С помощью этой технологии врачи смогут выявлять подгруппы пациентов с повышенным риском гиперактивного иммунного ответа и иммунопаралича, которые способствуют осложнениям и смертности, связанным с сепсисом.

Устройство также можно использовать для определения того, уменьшают ли методы лечения воспаление в организме, для лучшего понимания нервной системы и воспаления у людей, страдающих от ПТСР и других психических расстройств, а также для адаптации дозировки терапии, направленной на нервную систему отдельных пациентов.

Это исследование стало результатом сотрудничества Калифорнийского университета в Сан-Диего, Национальных лабораторий Сандия, Университета Висконсин-Мэдисон, Центра по изучению стресса и психического здоровья Министерства по делам ветеранов, Лаборатории Куспин, Стэнфордского университета и InflammaSense Inc.