Понимание влияния неинвазивной трансаурикулярной стимуляции блуждающего нерва на ЭЭГ и ВСР
Summary
Этот протокол предоставляет информацию о том, как применять чрескожную стимуляцию ушных блуждающих нервов (taVNS) в клинических испытаниях, включая потенциальные биомаркеры, такие как метрики ЭЭГ и вариабельность сердечного ритма (ВСР), для измерения влияния этого лечения на вегетативную нервную систему.
Abstract
Несколько исследований продемонстрировали многообещающие результаты чрескожной стимуляции блуждающего нерва ушной раковины (taVNS) в лечении различных заболеваний; Тем не менее, ни одно механистическое исследование не изучало эффекты нейронной сети и вегетативной нервной системы этого метода. Это исследование направлено на то, чтобы описать, как taVNS может влиять на показатели ЭЭГ, ВСР и уровень боли. Здоровые испытуемые были случайным образом разделены на две группы: активную группу taVNS и группу фиктивного taVNS. Электроэнцефалография (ЭЭГ) и вариабельность сердечного ритма (ВСР) регистрировались на исходном уровне, через 30 мин, и через 60 мин 30 Гц, 200-250 мкс taVNS, или фиктивной стимуляции, и рассчитывали различия между показателями. Что касается проекций блуждающего нерва, некоторые исследования продемонстрировали роль блуждающего нерва в модуляции активности мозга, вегетативной системы и болевых путей. Тем не менее, все еще необходимо больше данных, чтобы понять механизмы taVNS в этих системах. В этом контексте в данном исследовании представлены методы, позволяющие получить данные для более глубокого обсуждения физиологических эффектов этого метода, что может помочь в будущих терапевтических исследованиях при различных состояниях.
Introduction
Трансаурикулярная стимуляция блуждающего нерва (taVNS) — это новейший метод нейромодуляции, который не требует хирургического вмешательства и использует неинвазивное устройство стимуляции, размещенное на раковине или козелке уха. Следовательно, это доступнее и безопаснее для пациентов1. В последние годы область taVNS быстро расширялась, в первую очередь сосредоточившись на клинических испытаниях, демонстрирующих потенциальные терапевтические преимущества при различных патологических состояниях, включая эпилепсию, депрессию, шум в ушах, болезнь Паркинсона, нарушение толерантности к глюкозе, шизофрению и фибрилляцию предсердий. Можно много говорить о taVNS и его влиянии на биологические процессы в центральных и периферических системах. В идеале, биологический маркер должен продемонстрировать, что аурикулярная ветвь блуждающего нерва была стимулирована, что влияет на внутричерепные структуры и позволяет исследователям анализировать, как taVNS влияет на физиологическую функцию. Тем не менее, без надежного биомаркера нелегко понять, что означают данные taVNS и как их эффективно интерпретировать.
Электроэнцефалография (ЭЭГ) является стимулирующим инструментом визуализации для получения биомаркеров taVNS. Это неинвазивный, надежный, недорогой подход к измерению и количественной оценке активности коры головного мозга 3,4. После этого процесса наша группа провела систематический обзор, продемонстрировав элементарные детали того, что taVNS может влиять на активность коры головного мозга, в основном увеличивая активность спектра мощности ЭЭГ на более низких частотах (дельта и тета). Тем не менее, также были обнаружены различные результаты в более высоких частотах (альфа) и изменения в ранних компонентах ERP, связанных с ингибирующими задачами. Выявлена высокая гетерогенность между исследованиями; поэтому необходимы более однородные, более значимые и хорошо спланированные исследования, чтобы сделать более надежные выводы о влиянии taVNS на активность мозга, измеряемую с помощью ЭЭГ3. Оценка ЭЭГ во время taVNS может продвинуть будущие исследования по интеграции двух методов для мобильного, замкнутого контура, мониторинга и неинвазивного инструмента стимуляции, влияющего на колебательнуюактивность мозга.
Альфа-асимметрия, которая оценивает относительную активность альфа-полосы между полушариями мозга, особенно на фронтальных электродах, является часто исследуемым биомаркером ЭЭГ. В предыдущей литературе этот биомаркер использовался для анализа гипотезы «подход-уход» 5,6, которая гласит, что правая лобная сторона мозга связана с абстинентным поведением. Напротив, левая лобная сторона связана с поведением при приближении. Поскольку альфа связана с низкой мозговой активностью, увеличение альфа в левой части мозга предполагает более низкую активность и может свидетельствовать об отсутствии поведения приближения. Эта концепция помогает объяснить некоторые результаты в альфа-полосе в левом полушарии у пациентов с депрессией7. Кроме того, электроды ЭЭГ регистрируют активность нейронных популяций, исследуя функциональную связность (ФК) или изменения в крупномасштабных сетях мозга, таких как сеть стандартного режима (DMN)7,8.
Исходя из этого, количественная электроэнцефалография может быть использована для оценки влияния taVNS на активность мозга; Тем не менее, необходимы дополнительные исследования, чтобы систематически демонстрировать конкретные показатели и эффекты, которые выделяли бы неинвазивную стимуляцию через аурикулярную ветвь блуждающего нерва.
Периферически блуждающий нерв и симпатическая нервная система опосредуют сократительную и электрическую функцию сердца9. Эта регуляция способствует способности сердца к кардиостимулятору и контролирует ее через физиологические проявления тела, известные как деполяризация синуса. Вариабельность сердечного ритма (ВСР) регистрирует изменения за такт деполяризации синуса, тем самым неинвазивно описывая влияния блуждающего нерва на синусовый узел10. Учитывая эту функцию, ВСР рассматривалась и изучалась как важный биомаркер нейрокардиальной функции, связанный с благополучием человека и вероятностью заболеваемости, смертности и стресса11,12.
В контексте taVNS ВСР регистрировалась во многих исследованиях, и считалось, что стимуляция модулирует ВСР 9,11,12. Учитывая, что снижение ВСР связано с заболеваемостью и смертностью от различных заболеваний через такие механизмы, как гиперактивность симпатической нервной системы, воспалительная реакция и окислительный стресс, считается, что модуляция блуждающего нерва taVNS напрямую влияет на ВСР и ее синусовую регуляцию13,14. На самом деле, некоторые исследования уже показали, что taVNS может увеличивать ВСР у здоровых субъектов, тем самым подтверждая эту гипотезу. Тем не менее, все еще существует необходимость в более глубоком понимании того, могут ли различные параметры taVNS по-разному влиять на ВСР.
В настоящее время ни одно механистическое исследование не изучало эффекты нейронной сети taVNS и вегетативной нервной системы этого метода вместе. Таким образом, данный протокол направлен на то, чтобы оценить, как taVNS может влиять на показатели ЭЭГ и ВСР, а также оценить его безопасность. Кроме того, это также направлено на выявление предикторов, которые могут влиять на реакцию на taVNS. Понимание переменных, связанных с ответом на taVNS, может помочь в планировании будущих клинических испытаний для максимизации эффектов этого вмешательства.
Protocol
Representative Results
Discussion
Трансаурикулярная стимуляция блуждающего нерва (taVNS) становится многообещающим терапевтическим направлением для лечения нескольких психоневрологических заболеваний. Расстройства настроения, такие как депрессия и тревога, представляют собой значительную нагрузку на глобальное здр?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Автор выражает благодарность исследовательскому коллективу (Мария Фернанда Андраде, Эллисон Ким, Робин Хемелс).
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).
