Verständnis der Auswirkungen der nicht-invasiven transsaurikulären Vagusnervstimulation auf EEG und HRV
Summary
Dieses Protokoll enthält Informationen zur Anwendung der transkutanen aurikulären Vagusnervstimulation (taVNS) in einer klinischen Studie, einschließlich potenzieller Biomarker wie EEG-Metriken und Herzfrequenzvariabilität (HRV), um die Wirkung dieser Behandlung auf das autonome Nervensystem zu messen.
Abstract
Mehrere Studien haben vielversprechende Ergebnisse der transkutanen aurikulären Vagusnervstimulation (taVNS) bei der Behandlung verschiedener Erkrankungen gezeigt. Es gibt jedoch keine mechanistischen Studien, die die Auswirkungen dieser Technik auf das neuronale Netzwerk und das autonome Nervensystem untersucht haben. Ziel dieser Studie ist es, zu beschreiben, wie taVNS EEG-Metriken, HRV und Schmerzniveau beeinflussen kann. Gesunde Probanden wurden nach dem Zufallsprinzip in zwei Gruppen eingeteilt: die aktive taVNS-Gruppe und die Schein-taVNS-Gruppe. Die Elektroenzephalographie (EEG) und die Herzfrequenzvariabilität (HRV) wurden zu Studienbeginn, 30 Minuten und nach 60 Minuten bei 30 Hz, 200-250 μs taVNS oder Scheinstimulation aufgezeichnet und die Unterschiede zwischen den Metriken berechnet. In Bezug auf Vagusprojektionen haben einige Studien die Rolle des Vagusnervs bei der Modulation der Gehirnaktivität, des autonomen Systems und der Schmerzbahnen gezeigt. Es werden jedoch noch weitere Daten benötigt, um die Mechanismen von taVNS auf diesen Systemen zu verstehen. In diesem Zusammenhang werden in dieser Studie Methoden vorgestellt, die Daten für eine tiefere Diskussion über die physiologischen Auswirkungen dieser Technik liefern, die bei zukünftigen therapeutischen Untersuchungen bei verschiedenen Erkrankungen hilfreich sein können.
Introduction
Die transsaurikuläre Vagusnervstimulation (taVNS) ist eine neue Neuromodulationstechnik, die keine Operation erfordert und ein nicht-invasives Stimulationsgerät verwendet, das an der Concha oder am Tragus des Ohrs platziert wird. Folglich ist es für Patienten zugänglicher und sicherer1. In den letzten Jahren hat sich das taVNS-Feld schnell erweitert und konzentriert sich in erster Linie auf klinische Studien, die potenzielle therapeutische Vorteile für verschiedene pathologische Zustände wie Epilepsie, Depressionen, Tinnitus, Parkinson, gestörte Glukosetoleranz, Schizophrenie und Vorhofflimmern belegen2. Es gibt viel zu diskutieren über taVNS und seine Auswirkungen auf biologische Prozesse im zentralen und peripheren System. Im Idealfall könnte ein biologischer Marker zeigen, dass der aurikuläre Ast des Vagus stimuliert wurde, was die intrakraniellen Strukturen beeinflusst und es den Forschern ermöglicht, zu analysieren, wie taVNS die physiologische Funktion beeinflusst. Ohne einen vertrauenswürdigen Biomarker ist es jedoch nicht einfach zu verstehen, was die taVNS-Daten bedeuten und wie man sie effektiv interpretiert.
Die Elektroenzephalographie (EEG) ist ein ermutigendes Bildgebungsinstrument, um Biomarker für taVNS zu liefern. Es handelt sich um einen nicht-invasiven, zuverlässigen und kostengünstigen Ansatz zur Messung und Quantifizierung der kortikalen Aktivität 3,4. Im Anschluss an diesen Prozess führte unsere Gruppe eine systematische Übersichtsarbeit durch, die elementare Details zeigte, dass taVNS die kortikale Aktivität beeinflussen könnte, hauptsächlich die Erhöhung der EEG-Leistungsspektrumaktivität in niedrigeren Frequenzen (Delta und Theta). Es wurden jedoch auch unterschiedliche Ergebnisse in höheren Frequenzen (Alpha) und Veränderungen in frühen ERP-Komponenten im Zusammenhang mit hemmenden Aufgaben festgestellt. Es zeigte sich eine hohe Heterogenität zwischen den Studien; Daher sind homogenere, aussagekräftigere und gut geplante Studien unerlässlich, um robustere Schlussfolgerungen über die Auswirkungen von taVNS auf die mit EEGgemessene Gehirnaktivität zu ziehen 3. Die Bewertung des EEG während taVNS könnte die zukünftige Forschung zur Integration der beiden Techniken für ein mobiles, geschlossenes Überwachungs- und nicht-invasives Stimulationsinstrument zur Beeinflussung der oszillatorischen Aktivität des Gehirns vorantreiben4.
Die Alpha-Asymmetrie, die die relative Alpha-Bandenaktivität zwischen den Gehirnhälften, insbesondere an den Frontalelektroden, bewertet, ist ein häufig erforschter EEG-Biomarker. In der bisherigen Literatur wurde dieser Biomarker verwendet, um die Annäherungs-Rückzugshypothese 5,6 zu analysieren, die besagt, dass die rechte vordere Seite des Gehirns mit dem Rückzugsverhalten assoziiert ist. Im Gegensatz dazu ist die linke Stirnseite mit Annäherungsverhalten assoziiert. Da Alpha mit einer geringen Gehirnaktivität verbunden ist, deutet eine Zunahme von Alpha auf der linken Seite des Gehirns auf eine geringere Aktivität hin und kann auf ein mangelndes Annäherungsverhalten hindeuten. Dieses Konzept hilft, einige Ergebnisse in der Alpha-Bande an der linken Seitenhemisphäre bei depressiven Patienten zu erklären7. Darüber hinaus erfassen EEG-Elektroden die Aktivität neuronaler Populationen und untersuchen die funktionelle Konnektivität (FC) oder Veränderungen in großen Gehirnnetzwerken, wie z. B. dem Default Mode Network (DMN)7,8.
Auf dieser Grundlage kann die quantitative Elektroenzephalographie eingesetzt werden, um die Auswirkungen von taVNS auf die Gehirnaktivität zu beurteilen; Es sind jedoch weitere Studien erforderlich, um systematisch die spezifischen Metriken und Effekte zu demonstrieren, die die nicht-invasive Stimulation durch den Ohrast des Vagusnervs hervorheben würden.
Peripher vermitteln der Vagusnerv und der Sympathikus die kontraktile und elektrische Funktion des Herzens9. Diese Regulation fördert die Herzschrittmacherfähigkeit des Herzens und steuert sie durch physiologische Manifestationen des Körpers, die als Sinusdepolarisationen bekannt sind. Die Herzratenvariabilität (HRV) erfasst die Veränderungen pro Schlag der Sinusdepolarisation und beschreibt damit nicht-invasiv vagale Einflüsse auf den Sinusknoten10. Angesichts dieser Funktion wurde die HRV als prominenter Biomarker für die neurokardiale Funktion angesehen und untersucht, der mit dem Wohlbefinden einer Person und der Wahrscheinlichkeit von Morbidität, Mortalität und Stress verbunden ist11,12.
Im Zusammenhang mit taVNS wurde die HRV in vielen Studien aufgezeichnet, und es wurde angenommen, dass die Stimulation die HRVmoduliert 9,11,12. In Anbetracht der Tatsache, dass eine verminderte HRV durch Mechanismen wie Überaktivität des sympathischen Nervensystems, Entzündungsreaktion und oxidativen Stress mit der Morbidität und Mortalität verschiedener Krankheiten in Verbindung gebracht wurde, wird angenommen, dass die vagusse Nervenmodulation von taVNS einen direkten Einfluss auf die HRV und ihre Sinusregulation hat13,14. Tatsächlich haben einige Studien bereits gezeigt, dass taVNS die HRV bei gesunden Probanden erhöhen kann, was diese Hypothese stützt 15,16. Es besteht jedoch immer noch die Notwendigkeit, besser zu verstehen, ob verschiedene taVNS-Parameter die HRV unterschiedlich beeinflussen können.
Derzeit gibt es keine mechanistischen Studien, die das neuronale Netzwerk taVNS und die Auswirkungen dieser Technik auf das autonome Nervensystem zusammen untersucht haben. Daher zielt dieses Protokoll darauf ab, zu bewerten, wie taVNS EEG-Metriken und HRV beeinflussen kann, und seine Sicherheit zu bewerten. Darüber hinaus sollen Prädiktoren identifiziert werden, die die Reaktion auf taVNS beeinflussen können. Das Verständnis der Variablen, die mit dem Ansprechen auf taVNS verbunden sind, kann dazu beitragen, zukünftige klinische Studien zu konzipieren, um die Wirkung dieser Intervention zu maximieren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die transsaurikuläre Vagusnervstimulation (taVNS) entwickelt sich zu einem vielversprechenden therapeutischen Weg zur Behandlung verschiedener neuropsychiatrischer Erkrankungen. Stimmungsstörungen wie Depressionen und Angstzustände stellen insbesondere nach der COVID-19-Pandemie19 eine erhebliche globale Gesundheitsbelastung dar. Jüngste Studien zur Erforschung von taVNS haben das Potenzial gezeigt, die mit diesen Erkrankungen verbundenen Symptome zu lindern.
Der V…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Der Autor dankt dem Forschungsteam (Maria Fernanda Andrade, Allison Kim, Robin Heemels).
Materials
| Articulated arm | Electrical Geodesics, Inc. | 20090645 | |
| Baby shampoo | Dynarex | 1396 | |
| Charge Cable | NEURIVE Co. | HV12303003 | |
| Computer | Apple | YM92704U4PC | |
| Condutive eartip | NEURIVE Co. | HV12303003 | |
| Earset | NEURIVE Co. | HV12303003 | |
| EEG 64-channel cap | Electrical Geodesics, Inc. | H11333 | |
| Heart rate sensor | Polar | M311370175396 | |
| Monitor | Dell | REVA01 | |
| Net Amps 300 | Electrical Geodesics, Inc. | A09370244 | |
| Peltier thermode | Advanced Medical Systems, Ramat Yishai, Isreal | ||
| Potassium Chloride (dry) | Electrical Geodesics, Inc. | 820127755 | |
| Rally | Mass General Brigham Research | online platform | |
| Research Electronic Data Capture (REDCap) | Vanderbilt | web-based software platform | |
| Thermosensory Stimulator | Medoc Ltd | 1241 | |
| Transauricular vagus nerve stimulator | NEURIVE Co. | HV12303003 |
Riferimenti
- Ben-Menachem, E., Revesz, D., Simon, B. J., Silberstein, S. Surgically implanted and non-invasive vagus nerve stimulation: a review of efficacy, safety and tolerability. Eur J Neurol. 22 (9), 1260-1268 (2015).
- Johnson, R. L., Wilson, C. G. A review of vagus nerve stimulation as a therapeutic intervention. J Inflamm Res. 11, 203-213 (2018).
- Gianlorenco, A. C. L., et al. Electroencephalographic patterns in taVNS: A systematic review. Biomedicines. 10 (9), 2208 (2022).
- Ruhnau, P., Zaehle, T. Transcranial Auricular Vagus Nerve Stimulation (taVNS) and Ear-EEG: Potential for closed-loop portable non-invasive brain stimulation. Front Hum Neurosci. 15, 699473 (2021).
- Coan, J. A., Allen, J. J. Frontal EEG asymmetry as a moderator and mediator of emotion. Biol Psychol. 67 (1-2), 7-49 (2004).
- Davidson, R. J. Cerebral asymmetry, emotion, and affective style. Brain Asymmetry. , 361-387 (1995).
- de Aguiar Neto, F. S., Rosa, J. L. G. Depression biomarkers using non-invasive EEG: A review. Neurosci Biobehav Rev. 105, 83-93 (2019).
- Rao, R. P. N. . Brain-Computer Interfacing: An Introduction. , (2013).
- Machetanz, K., Berelidze, L., Guggenberger, R., Gharabaghi, A. brain-heart interaction during Transcutaneous Auricular Vagus Nerve Stimulation. Front Neurosci. 15, 632697 (2021).
- Spyer, K. M. Annual review prize lecture. Central nervous mechanisms contributing to cardiovascular control. J Physiol. 474 (1), 1-19 (1994).
- Jarczok, M. N., et al. Investigating the associations of self-rated health: heart rate variability is more strongly associated than inflammatory and other frequently used biomarkers in a cross sectional occupational sample. PLoS One. 10 (2), 0117196 (2015).
- Shaffer, F., Ginsberg, J. P. An overview of heart rate variability metrics and norms. Front Public Health. 5, 258 (2017).
- Haensel, A., Mills, P. J., Nelesen, R. A., Ziegler, M. G., Dimsdale, J. E. The relationship between heart rate variability and inflammatory markers in cardiovascular diseases. PNEC. 33 (10), 1305-1312 (2008).
- Wolf, V., Kühnel, A., Teckentrup, V., Koenig, J., Kroemer, N. B. Does transcutaneous auricular vagus nerve stimulation affect vagally mediated heart rate variability? A living and interactive Bayesian meta-analysis. Psychophysiol. 58 (11), e13933 (2021).
- Geng, D., Liu, X., Wang, Y., Wang, J. The effect of transcutaneous auricular vagus nerve stimulation on HRV in healthy young people. PLoS One. 17 (2), 0263833 (2022).
- Garrido, M. V., Prada, M. KDEF-PT: Valence, emotional intensity, familiarity and attractiveness ratings of angry, neutral, and happy faces. Front Psychol. 8, 2181 (2017).
- Granot, M., et al. Determinants of endogenous analgesia magnitude in a diffuse noxious inhibitory control (DNIC) paradigm: do conditioning stimulus painfulness, gender and personality variables matter. Pain. 136 (1-2), 142-149 (2008).
- Nirl, R. R., et al. A psychophysical study of endogenous analgesia: the role of the conditioning pain in the induction and magnitude of conditioned pain modulation. EJP. 15 (5), 491-497 (2011).
- Santomauro, D. F., et al. Global prevalence and burden of depressive and anxiety disorders in 204 countries and territories in 2020 due to the COVID-19 pandemic. Lancet. 398 (10312), 1700-1712 (2021).
- Tan, C., Yan, Q., Ma, Y., Fang, J., Yang, Y. Recognizing the role of the vagus nerve in depression from microbiota-gut brain axis. Front. Neurol. 13, 1015175 (2022).
- Kim, A. Y., et al. Safety of transcutaneous auricular vagus nerve stimulation (taVNS): A systematic review and meta-analysis. Sci. Rep. 12 (1), 22055 (2022).
- Martins, D. F., et al. The role of the vagus nerve in fibromyalgia syndrome. Neurosci. Biobehav. Rev. 131, 1136-1149 (2021).
- Frøkjaer, J. B., et al. Modulation of vagal tone enhances gastroduodenal motility and reduces somatic pain sensitivity. J Neurogastroenterol Motil. 28 (4), 592-598 (2016).
