Non-İnvaziv Transauriküler Vagus Sinir Stimülasyonunun EEG ve HRV Üzerine Etkilerinin Anlaşılması
Summary
Bu protokol, bu tedavinin otonom sinir sistemi üzerindeki etkisini ölçmek için EEG metrikleri ve kalp atış hızı değişkenliği (HRV) gibi potansiyel biyobelirteçler de dahil olmak üzere bir klinik çalışmada transkutanöz auriküler vagus sinir stimülasyonunun (taVNS) nasıl uygulanacağı hakkında bilgi sağlar.
Abstract
Çeşitli çalışmalar, çeşitli bozuklukların tedavisinde transkutanöz auriküler vagus sinir stimülasyonunun (taVNS) umut verici sonuçlarını göstermiştir; Bununla birlikte, bu tekniğin sinir ağı ve otonom sinir sistemi etkilerini araştıran hiçbir mekanik çalışma yoktur. Bu çalışma, taVNS’nin EEG metriklerini, HRV’yi ve ağrı düzeylerini nasıl etkileyebileceğini açıklamayı amaçlamaktadır. Sağlıklı denekler rastgele iki gruba ayrıldı: aktif taVNS grubu ve sahte taVNS grubu. Elektroensefalografi (EEG) ve Kalp Hızı Değişkenliği (HRV) başlangıçta, 30 dakika ve 60 dakika sonra 30 Hz, 200-250 μs taVNS veya sahte stimülasyon kaydedildi ve metrikler arasındaki farklar hesaplandı. Vagal projeksiyonlarla ilgili olarak, bazı çalışmalar vagus sinirinin beyin aktivitesini, otonomik sistemi ve ağrı yollarını modüle etmedeki rolünü göstermiştir. Bununla birlikte, bu sistemlerdeki taVNS mekanizmalarını anlamak için hala daha fazla veriye ihtiyaç vardır. Bu bağlamda, bu çalışma, çeşitli durumlarda gelecekteki terapötik araştırmalara yardımcı olabilecek, bu tekniğin fizyolojik etkileri hakkında daha derin bir tartışma için veri sağlayacak yöntemler sunmaktadır.
Introduction
Transauriküler vagus sinir stimülasyonu (taVNS), ameliyat gerektirmeyen ve kulağın konka veya tragusuna yerleştirilen non-invaziv bir stimülasyon cihazı kullanan yeni bir nöromodülasyon tekniğidir. Sonuç olarak, hastalar için daha erişilebilir ve daha güvenlidir1. Son yıllarda, taVNS alanı, öncelikle epilepsi, depresyon, kulak çınlaması, Parkinson hastalığı, bozulmuş glukoz toleransı, şizofreni ve atriyal fibrilasyon dahil olmak üzere çeşitli patolojik durumlar için potansiyel terapötik avantajlar gösteren klinik çalışmalara odaklanarak hızla genişledi2. TaVNS ve merkezi ve periferik sistemlerdeki biyolojik süreçler üzerindeki etkileri hakkında tartışılacak çok şey var. İdeal olarak, biyolojik bir belirteç, vagusun kulak dalının uyarıldığını, intrakraniyal yapıları etkilediğini ve araştırmacıların taVNS’nin fizyolojik işlevi nasıl etkilediğini analiz etmesine izin verdiğini gösterebilir. Bununla birlikte, güvenilir bir biyobelirteç olmadan, taVNS verilerinin ne anlama geldiğini ve bunların nasıl etkili bir şekilde yorumlanacağını anlamak kolay değildir.
Elektroensefalografi (EEG), taVNS için biyobelirteçler sağlamak için cesaret verici bir görüntüleme aracıdır. Kortikal aktiviteyi ölçmek ve ölçmek için invaziv olmayan, güvenilir, ucuz bir yaklaşımdır 3,4. Bu süreci takiben, grubumuz sistematik bir inceleme yaptı ve taVNS’nin kortikal aktiviteyi etkileyebileceğini, esas olarak daha düşük frekanslarda (delta ve teta) EEG güç spektrumu aktivitesini artırabileceğini gösteren temel ayrıntıları gösterdi. Bununla birlikte, daha yüksek frekanslarda (alfa) çeşitli sonuçlar ve engelleyici görevlerle ilgili erken ERP bileşenlerinde değişiklikler de tespit edildi. Çalışmalar arasında yüksek heterojenlik bulundu; bu nedenle, taVNS’nin EEG3 ile ölçülen beyin aktivitesi üzerindeki etkileri hakkında daha sağlam sonuçlar çıkarmak için daha homojen, daha anlamlı ve iyi planlanmış çalışmalar gereklidir. TAVNS sırasında EEG’nin değerlendirilmesi, beyin salınım aktivitesini etkilemek için mobil, kapalı döngü, izleme ve non-invaziv bir stimülasyon aracı için iki tekniğin entegre edilmesine ilişkin gelecekteki araştırmaları ilerletebilir4.
Beyin hemisferleri arasındaki, özellikle frontal elektrotlardaki göreceli alfa bandı aktivitesini değerlendiren alfa asimetrisi, sıklıkla araştırılan bir EEG biyobelirtecidir. Önceki literatür, beynin sağ ön tarafının geri çekilme davranışlarıyla ilişkili olduğunu savunan yaklaşma-geri çekilme hipotezini 5,6 analiz etmek için bu biyobelirteci kullanmıştır. Buna karşılık, sol ön taraf yaklaşma davranışları ile ilişkilidir. Alfa düşük beyin aktivitesi ile ilişkili olduğundan, beynin sol tarafındaki alfa artışı daha düşük aktiviteye işaret eder ve yaklaşım davranışı eksikliği gösterebilir. Bu kavram, depresif hastalarda sol hemisferdeki alfa bandındaki bazı sonuçları açıklamaya yardımcı olur7. Ek olarak, EEG elektrotları, Fonksiyonel Bağlanabilirliği (FC) veya varsayılan mod ağı (DMN) gibi büyük ölçekli beyin ağlarındaki değişiklikleri inceleyerek nöronal popülasyonların aktivitesini kaydeder7,8.
Buna dayanarak, taVNS’nin beyin aktivitesi üzerindeki etkilerini değerlendirmek için kantitatif elektroensefalografi kullanılabilir; Bununla birlikte, vagus sinirinin kulak dalı yoluyla non-invaziv stimülasyonu vurgulayacak spesifik ölçümleri ve etkileri sistematik olarak göstermek için daha fazla çalışmaya ihtiyaç vardır.
Periferik olarak, vagus siniri ve sempatik sinir sistemi kalbin kasılma ve elektriksel fonksiyonuna aracılık eder9. Bu düzenleme, kalbin kalp pili yeteneğini teşvik eder ve sinüs depolarizasyonları olarak bilinen vücudun fizyolojik belirtileri yoluyla kontrol eder. Kalp atış hızı değişkenliği (HRV), sinüs depolarizasyonunun atım başına değişikliklerini kaydeder, böylece sinüs düğümü10 üzerindeki vagal etkileri non-invaziv olarak tanımlar. Bu işlev göz önüne alındığında, HRV, bireyin refahı ve morbidite, mortalite ve stres olasılığı ile ilişkili belirgin bir nörokardiyak fonksiyon biyobelirteç olarak görülmüş ve incelenmiştir11,12.
TaVNS bağlamında, HRV birçok çalışmada kaydedilmiştir ve stimülasyonun HRV 9,11,12’yi modüle ettiği düşünülmüştür. Azalmış HRV’nin sempatik sinir sisteminin aşırı aktivitesi, inflamatuar yanıt ve oksidatif stres gibi mekanizmalar yoluyla farklı hastalıkların morbidite ve mortalitesi ile ilişkili olduğu göz önüne alındığında, taVNS’nin vagal sinir modülasyonunun HRV’yi ve sinüs regülasyonunu doğrudan etkilediği düşünülmektedir13,14. Aslında, bazı çalışmalar taVNS’nin sağlıklı kişilerde HRV’yi artırabileceğini göstermiştir ve böylece bu hipotezi desteklemektedir15,16. Bununla birlikte, farklı taVNS parametrelerinin HRV’yi farklı şekilde etkileyip etkilemediğini daha iyi anlamaya ihtiyaç vardır.
Şu anda, bu tekniğin taVNS sinir ağı ve otonom sinir sistemi etkilerini birlikte araştıran hiçbir mekanik çalışma yoktur. Bu nedenle, bu protokol, taVNS’nin EEG metriklerini ve HRV’yi nasıl etkileyebileceğini değerlendirmeyi ve güvenliğini değerlendirmeyi amaçlamaktadır. Ek olarak, bu aynı zamanda taVNS’ye yanıtı etkileyebilecek öngörücüleri tanımlamayı da amaçlar. TaVNS’ye verilen yanıtla ilişkili değişkenleri anlamak, bu müdahalenin etkilerini en üst düzeye çıkarmak için gelecekteki klinik çalışmaların tasarlanmasına yardımcı olabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Transauriküler Vagus Sinir Stimülasyonu (taVNS), çeşitli nöropsikiyatrik durumları ele almak için umut verici bir terapötik yol olarak ortaya çıkmaktadır. Depresyon ve anksiyete gibi duygudurum bozuklukları, özellikle COVID-19 pandemisinden sonra önemli bir küresel sağlık yüküoluşturmaktadır19. TaVNS’yi araştıran son çalışmalar, bu bozukluklarla ilişkili semptomları hafifletme potansiyeli göstermiştir.
Vagus siniri, beyin-bağırsak ekseni…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazar, araştırma ekibine (Maria Fernanda Andrade, Allison Kim, Robin Heemels) minnettardır.
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 |
Referenzen
- 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).
