加州大學(xué)圣地亞哥分校領(lǐng)導(dǎo)的研究小組首次證明，一種可穿戴、非侵入式設(shè)備可以在臨床環(huán)境中測量人體頸神經(jīng)活動(dòng)。

該設(shè)備記錄了團(tuán)隊(duì)所稱的自主神經(jīng)圖 (ANG)，即人類迷走神經(jīng)和頸動(dòng)脈竇神經(jīng)以及頸部皮膚和肌肉中的其他自主神經(jīng)的神經(jīng)活動(dòng)。迷走神經(jīng)是不自主神經(jīng)系統(tǒng)的“高速公路”，其卷須從顱底延伸到軀干和腹部，影響消化、心率和免疫系統(tǒng)。迷走神經(jīng)在人體對(duì)損傷或感染的炎癥反應(yīng)中起著關(guān)鍵作用，一直是研究致命疾病的重點(diǎn)，如敗血癥。根據(jù)美國國立綜合醫(yī)學(xué)研究所的數(shù)據(jù)，敗血癥是急診室亡的主要原因，每年影響美國至少 170 萬成年人，以及創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙，根據(jù)美國國立精神衛(wèi)生研究所的數(shù)據(jù)，創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙影響約 3.5% 的人口。

為了向醫(yī)療專業(yè)人員提供一種實(shí)時(shí)、臨床驗(yàn)證的工具來檢測非自主神經(jīng)系統(tǒng)的活動(dòng)水平，這是身體處于壓力下的早期預(yù)信號(hào)，研究人員設(shè)計(jì)了一種靈活的、粘合劑集成的電極陣列(如 2022 年《科學(xué)報(bào)告》論文中所述)。這項(xiàng)研究于 2024 年 7 月 29 日發(fā)表在《自然通訊生物學(xué)》上，采用了這種方法，旨在檢測模擬臨床炎癥模型中的深層神經(jīng)活動(dòng)。

“我們的研究結(jié)果讓我們備受鼓舞。該設(shè)備有望提供病原體感染或病理過程炎癥的早期診斷標(biāo)記，”該研究的資深作者、加州大學(xué)圣地亞哥分校高通研究所、醫(yī)學(xué)院和雅各布工程學(xué)院的勒曼實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人以及 VA 壓力和心理健康卓越中心負(fù)責(zé)人伊曼紐爾·勒曼 (Imanuel Lerman) 說道。勒曼是InflammaSense Inc的創(chuàng)始人，該公司是該設(shè)備技術(shù)的授權(quán)公司。“根據(jù)研究結(jié)果，我們現(xiàn)在正在加州大學(xué)圣地亞哥分校健康中心雅各布醫(yī)學(xué)中心的重癥監(jiān)護(hù)室部署該設(shè)備。該設(shè)備將檢測出預(yù)示即將發(fā)生敗血癥的早期非自愿神經(jīng)信號(hào)。”

雅各布學(xué)院電氣與計(jì)算機(jī)工程系的博士生 Troy Bu 是該研究的第一作者。

急診室實(shí)時(shí)信息

為了取代手術(shù)植入的微電極來監(jiān)測或激活迷走神經(jīng)，新設(shè)備利用一種名為“磁神經(jīng)造影”的強(qiáng)大技術(shù)，以非侵入性的方式實(shí)時(shí)更準(zhǔn)確地檢測頸神經(jīng)放電。該設(shè)備檢測迷走神經(jīng)和頸動(dòng)脈竇神經(jīng)活動(dòng)產(chǎn)生的磁場，這些磁場會(huì)“脈動(dòng)”以告非自主神經(jīng)系統(tǒng)有威脅。

研究人員在 9 名成年人身上測試了該設(shè)備。研究人員抽取患者的血液，并檢測血漿中引發(fā)炎癥的蛋白質(zhì)(即細(xì)胞因子)的基線水平。接下來，研究人員向患者注射了細(xì)菌素(即脂多糖)，從而在體內(nèi)誘發(fā)暫時(shí)性炎癥過度狀態(tài)，類似于血液感染引起的炎癥。

在加州大學(xué)圣地亞哥分校高通研究所腦磁圖中心的一間磁屏蔽室內(nèi)，研究人員將設(shè)備的傳感器放置在右耳下方和右頸動(dòng)脈上方的迷走神經(jīng)部位，迷走神經(jīng)和頸動(dòng)脈竇神經(jīng)都位于此處。該設(shè)備監(jiān)測心率和神經(jīng)活動(dòng)產(chǎn)生的磁場。

在患者注射脂多糖半小時(shí)內(nèi)，該設(shè)備檢測到了患者右耳下方神經(jīng)活動(dòng)的變化。研究人員通過血液樣本證實(shí)了神經(jīng)活動(dòng)的增加和炎癥蛋白的釋放。他們還記錄了整個(gè)過程中心率的變化，以及兩個(gè)部位神經(jīng)放電與一種名為腫瘤壞因子α(TNF-α)的特定炎癥細(xì)胞因子和一種名為IL-10的抗炎細(xì)胞因子的變化之間的明顯聯(lián)系。

TNF-α 是一種預(yù)兆;TNF-α 水平高的患者更容易陷入感染性休克，這是一種致命的疾病，人體的炎癥反應(yīng)會(huì)超過正常水平，導(dǎo)致系統(tǒng)性毀滅性影響，最終可能導(dǎo)致亡。

另一方面，IL-10 水平升高可能表明患者有免疫麻痹的風(fēng)險(xiǎn)，這是一種在敗血癥期間發(fā)生的情況，此時(shí)免疫細(xì)胞無法抵抗外來或常駐微生物或常駐病，可能導(dǎo)致不受控制的感染和亡。

“對(duì)于敗血癥來說，每分鐘都很重要，早期治療可以挽救生命，”Bu 說道。“早期檢測敗血癥至關(guān)重要，因?yàn)閿⊙Y每得不到治療一小時(shí)，亡的可能性就會(huì)增加 7%。我們的技術(shù)可以為醫(yī)生提供敗血癥中超免疫或免疫麻痹反應(yīng)的早期預(yù)信號(hào)。然后醫(yī)生可以盡快提供正確的治療。”

與 2022 年的研究一樣，研究人員再次發(fā)現(xiàn)，患者對(duì)注射壓力的反應(yīng)各有不同。一些患者在存在炎癥蛋白和更強(qiáng)的副作用時(shí)表現(xiàn)出更高的峰值，而其他患者的峰值則較低。

借助這項(xiàng)技術(shù)，醫(yī)生可能能夠識(shí)別出免疫反應(yīng)過度和免疫麻痹風(fēng)險(xiǎn)較高的患者亞群，這兩種情況都會(huì)導(dǎo)致敗血癥相關(guān)并發(fā)癥和亡。該設(shè)備還可用于確定治療是否能減輕體內(nèi)炎癥，更好地了解創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙 (PTSD) 和其他精神健康疾病患者的神經(jīng)系統(tǒng)和炎癥，并針對(duì)個(gè)體患者的神經(jīng)系統(tǒng)量身定制治療劑量。

這項(xiàng)研究是加州大學(xué)圣地亞哥分校、桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室、威斯康星大學(xué)麥迪遜分校、VA 壓力和心理健康中心、Quspin 實(shí)驗(yàn)室、斯坦福大學(xué)和 InflammaSense Inc. 之間的合作成果。

資金由生物醫(yī)學(xué)高級(jí)研究與發(fā)展局 (BARDA) 和紀(jì)念 Allen E. Wolf 的 David and Janice Katz 神經(jīng)傳感器研究基金提供。