Summary

Comprender los efectos de la estimulación transauricular no invasiva del nervio vago en el EEG y la VFC

Published: January 19, 2024
doi:

Summary

Este protocolo proporciona información sobre cómo aplicar la estimulación transcutánea del nervio vago auricular (taVNS) en un ensayo clínico, incluyendo posibles biomarcadores como las métricas de EEG y la variabilidad de la frecuencia cardíaca (VFC) para medir el efecto de este tratamiento en el sistema nervioso autónomo.

Abstract

Varios estudios han demostrado resultados prometedores de la estimulación transcutánea del nervio vago auricular (taVNS) en el tratamiento de diversos trastornos; Sin embargo, ningún estudio mecanicista ha investigado los efectos de esta técnica en la red neuronal y el sistema nervioso autónomo. Este estudio tiene como objetivo describir cómo la taVNS puede afectar las métricas de EEG, la VFC y los niveles de dolor. Los sujetos sanos fueron asignados aleatoriamente a dos grupos: el grupo activo de taVNS y el grupo de taVNS simulado. La electroencefalografía (EEG) y la variabilidad de la frecuencia cardíaca (VFC) se registraron al inicio, a los 30 min, y después de 60 min de 30 Hz, 200-250 μs de taVNS, o estimulación simulada, y se calcularon las diferencias entre las métricas. En cuanto a las proyecciones vagales, algunos estudios han demostrado el papel del nervio vago en la modulación de la actividad cerebral, el sistema autónomo y las vías del dolor. Sin embargo, aún se necesitan más datos para comprender los mecanismos de taVNS en estos sistemas. En este contexto, este estudio presenta métodos para proporcionar datos para una discusión más profunda sobre los impactos fisiológicos de esta técnica, que pueden ayudar a futuras investigaciones terapéuticas en diversas condiciones.

Introduction

La estimulación transauricular del nervio vago (taVNS) es una técnica de neuromodulación reciente que no requiere cirugía y utiliza un dispositivo de estimulación no invasivo colocado en la concha o trago de la oreja. En consecuencia, es más accesible y seguro para los pacientes1. En los últimos años, el campo de la taVNS se ha expandido rápidamente, centrándose principalmente en ensayos clínicos que demuestran ventajas terapéuticas potenciales para diversas afecciones patológicas, como la epilepsia, la depresión, el tinnitus, la enfermedad de Parkinson, la intolerancia a la glucosa, la esquizofreniay la fibrilación auricular. Hay mucho que discutir sobre la taVNS y sus efectos sobre los procesos biológicos en los sistemas central y periférico. Idealmente, un marcador biológico podría demostrar que la rama auricular del vago fue estimulada, afectando las estructuras intracraneales y permitiendo a los investigadores analizar cómo la taVNS afecta la función fisiológica. Sin embargo, sin un biomarcador fiable, no es fácil entender qué significan los datos de taVNS y cómo interpretarlos de forma eficaz.

La electroencefalografía (EEG) es una herramienta de imagen alentadora para proporcionar biomarcadores para la taVNS. Es un enfoque no invasivo, confiable y económico para medir y cuantificar la actividad cortical 3,4. Siguiendo este proceso, nuestro grupo realizó una revisión sistemática, demostrando detalles elementales de que la taVNS podría influir en la actividad cortical, principalmente aumentando la actividad del espectro de potencia del EEG en frecuencias más bajas (delta y theta). Sin embargo, también se detectaron diversos resultados en frecuencias más altas (alfa) y cambios en los componentes tempranos de la ERP relacionados con tareas inhibitorias. Se encontró una alta heterogeneidad entre los estudios; por lo tanto, estudios más homogéneos, más significativos y mejor planificados son esenciales para llegar a conclusiones más sólidas sobre los efectos de la taVNS en la actividad cerebral medida por EEG3. La evaluación del EEG durante la taVNS podría avanzar en futuras investigaciones sobre la integración de las dos técnicas para una herramienta de estimulación móvil, de circuito cerrado, de monitorización y no invasiva para afectar ala actividad oscilatoria del cerebro.

La asimetría alfa, que evalúa la actividad relativa de la banda alfa entre los hemisferios cerebrales, particularmente en los electrodos frontales, es un biomarcador de EEG frecuentemente investigado. La literatura previa ha utilizado este biomarcador para analizar la hipótesis de acercamiento-retirada 5,6, que sostiene que el lado frontal derecho del cerebro se asocia con conductas de retraimiento. Por el contrario, el lado frontal izquierdo se asocia con comportamientos de aproximación. Dado que alfa se asocia con una baja actividad cerebral, un aumento de alfa en el lado izquierdo del cerebro sugiere una menor actividad y puede mostrar una falta de comportamiento de aproximación. Este concepto ayuda a explicar algunos resultados en la banda alfa en el hemisferio izquierdo en pacientes deprimidos7. Además, los electrodos de EEG registran la actividad de las poblaciones neuronales, examinando la conectividad funcional (FC) o los cambios en las redes cerebrales a gran escala, como la red de modo predeterminado (DMN)7,8.

Con base en eso, se puede emplear la electroencefalografía cuantitativa para evaluar los efectos de la taVNS en la actividad cerebral; Sin embargo, se requieren más estudios para demostrar sistemáticamente las métricas y efectos específicos que destacarían la estimulación no invasiva a través de la rama auricular del nervio vago.

Periféricamente, el nervio vago y el sistema nervioso simpático median la función contráctil y eléctrica del corazón9. Esta regulación promueve la capacidad de marcapasos del corazón y la controla a través de manifestaciones fisiológicas del cuerpo, conocidas como despolarizaciones de los senos paranasales. La variabilidad de la frecuencia cardíaca (VFC) registra los cambios por latido de la despolarización sinusal, describiendo así de forma no invasiva las influencias vagales sobre el nódulo sinusal10. Dada esta función, la VFC ha sido vista y estudiada como un destacado biomarcador de la función neurocardíaca asociado con el bienestar del individuo y la probabilidad de morbilidad, mortalidad y estrés11,12.

En el contexto de la taVNS, la VFC se ha registrado en muchos ensayos, y se ha pensado que la estimulación modula la VFC 9,11,12. Teniendo en cuenta que la disminución de la VFC se ha relacionado con la morbimortalidad de diferentes enfermedades a través de mecanismos como la hiperactividad del sistema nervioso simpático, la respuesta inflamatoria y el estrés oxidativo, se cree que la modulación del nervio vago de la VSAT impacta directamente en la VFC y en la regulación de los senos paranasales13,14. De hecho, algunos ensayos ya han indicado que la taVNS puede aumentar la VFC en sujetos sanos, apoyando así esta hipótesis 15,16. Sin embargo, todavía es necesario comprender mejor si los diferentes parámetros de taVNS pueden afectar a la VFC de manera diferente.

Actualmente, ningún estudio mecanicista ha investigado los efectos de la red neuronal taVNS y el sistema nervioso autónomo de esta técnica juntos. Por lo tanto, este protocolo tiene como objetivo evaluar cómo la taVNS puede afectar las métricas de EEG y la VFC y evaluar su seguridad. Además, esto también tiene como objetivo identificar predictores que pueden influir en la respuesta a la taVNS. La comprensión de las variables asociadas con la respuesta a la taVNS puede ayudar a diseñar futuros ensayos clínicos para maximizar los efectos de esta intervención.

Protocol

Todos los procedimientos del estudio se realizaron en el Centro de Neuromodulación Spaulding/Hospital Spaulding Cambridge. La aprobación ética para este protocolo se obtuvo del Mass General Brigham IRB (Number Protocol #:2022P003200). Se obtuvo el consentimiento informado de todos los sujetos utilizando la plataforma encriptada de Captura Electrónica de Datos en Investigación (REDCap) (ver Tabla de Materiales). Número de registro del ensayo: NCT05801809. 1. Selecci…

Representative Results

Se realizó un análisis descriptivo preliminar del primer sujeto aleatorizado sin desenmascarar el estudio. Por esta razón, se desconoce a qué armas se asignó este sujeto. El primer sujeto es una mujer de 69 años, no hispana, caucásica, con título universitario, que no reportó ningún evento adverso durante o después de la sesión de estimulación. Los datos clínicos se muestran en la Tabla 2. Además, se creó una distribución topográfica de los gráficos del cuer…

Discussion

La estimulación transauricular del nervio vago (taVNS) está emergiendo como una vía terapéutica prometedora para abordar varias afecciones neuropsiquiátricas. Los trastornos del estado de ánimo, como la depresión y la ansiedad, suponen una importante carga para la salud mundial, especialmente tras la pandemia deCOVID-19 19. Estudios recientes que exploran la taVNS han demostrado el potencial de aliviar los síntomas asociados con estos trastornos.

El nervio vago…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

La autora agradece al equipo de investigación (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

References

  1. 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).
  2. Johnson, R. L., Wilson, C. G. A review of vagus nerve stimulation as a therapeutic intervention. J Inflamm Res. 11, 203-213 (2018).
  3. Gianlorenco, A. C. L., et al. Electroencephalographic patterns in taVNS: A systematic review. Biomedicines. 10 (9), 2208 (2022).
  4. 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).
  5. Coan, J. A., Allen, J. J. Frontal EEG asymmetry as a moderator and mediator of emotion. Biol Psychol. 67 (1-2), 7-49 (2004).
  6. Davidson, R. J. Cerebral asymmetry, emotion, and affective style. Brain Asymmetry. , 361-387 (1995).
  7. de Aguiar Neto, F. S., Rosa, J. L. G. Depression biomarkers using non-invasive EEG: A review. Neurosci Biobehav Rev. 105, 83-93 (2019).
  8. Rao, R. P. N. . Brain-Computer Interfacing: An Introduction. , (2013).
  9. Machetanz, K., Berelidze, L., Guggenberger, R., Gharabaghi, A. brain-heart interaction during Transcutaneous Auricular Vagus Nerve Stimulation. Front Neurosci. 15, 632697 (2021).
  10. Spyer, K. M. Annual review prize lecture. Central nervous mechanisms contributing to cardiovascular control. J Physiol. 474 (1), 1-19 (1994).
  11. 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).
  12. Shaffer, F., Ginsberg, J. P. An overview of heart rate variability metrics and norms. Front Public Health. 5, 258 (2017).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. Martins, D. F., et al. The role of the vagus nerve in fibromyalgia syndrome. Neurosci. Biobehav. Rev. 131, 1136-1149 (2021).
  23. 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).

Play Video

Cite This Article
Gianlorenco, A. C., Pacheco-Barrios, K., Camargo, L., Pichardo, E., Choi, H., Song, J., Fregni, F. Understanding the Effects of Non-Invasive Transauricular Vagus Nerve Stimulation on EEG and HRV. J. Vis. Exp. (203), e66309, doi:10.3791/66309 (2024).

View Video