Dominique M Durand, wybitny profesor inżynierii biomedycznej, Case Western Reserve University, Cleveland Ohio, USA, omawia badanie sygnałów nerwowych z nerwu błędnego

Nerw błędny jest kluczowym elementem autonomicznego układu nerwowego, dostarczającym bodźców czuciowych do mózgu i kontrolującym narządy wewnętrzne poprzez swoje wyjścia przywspółczulne. Dysfunkcja układu autonomicznego jest związana z różnymi chorobami przewlekłymi, takimi jak padaczka, cukrzyca, nadciśnienie i rak. Stymulacja nerwu błędnego okazała się skuteczna w leczeniu wielu chorób, zwłaszcza epilepsji, chociaż mechanizmy leżące u podstaw jej skuteczności nie są dobrze poznane. Szczególnie interesujący jest fakt, że doprowadzające włókna nerwu błędnego unerwiają wszystkie narządy organizmu i przenoszą informacje o zdrowiu i stanie tych narządów. Większość włókien aferentnych nerwu błędnego pochodzi z jelita, a nieprawidłowa aktywność nerwu błędnego jest powiązana z zaburzeniami odżywiania i metabolicznymi. Dlatego zdolność do rejestrowania i interpretowania sygnałów nerwu błędnego może zapewnić krytyczny wgląd w patofizjologię różnych chorób i zaoferować potencjalne cele terapeutyczne.

Jakie były problemy z przewlekłym rejestrowaniem sygnałów nerwu błędnego?

Przewlekłe rejestrowanie sygnałów nerwu błędnego było trudne ze względu na trudność w rejestrowaniu wysokiej jakości sygnałów w małych nerwach autonomicznych. Zewnętrzne elektrody mankietowe są skuteczne, ale wymagają usunięcia osłonki nerwu lub mają niski stosunek sygnału do szumu (SNR). Elektrody wewnątrznerwowe mają wyższy SNR, ale są bardziej inwazyjne i mają problemy ze stabilnością, szczególnie w przypadku małych nerwów autonomicznych. Wykazano, że elektrody z przędzy z nanorurek węglowych (CNTY) zapewniają stabilny interfejs o wysokim współczynniku SNR do przewlekłego zapisu w małych nerwach autonomicznych u szczurów, z wysokiej jakości sygnałami utrzymującymi się do czterech miesięcy po implantacji [1,2]. Elektrody CNTY są obiecującym interfejsem neuronowym do łączenia z małymi nerwami obwodowymi. Te elektrody to małe biosensory o niskiej impedancji i bardzo elastyczne, co czyni je idealnymi do współpracy z małymi nerwami obwodowymi. Są ponad dziesięciokrotnie bardziej elastyczne niż elektrody PtIr o tej samej średnicy, co czyni je bardzo atrakcyjnymi do stosowania w różnych zastosowaniach.

„Ton nerwu błędnego” wskazuje ogólny poziom aktywności nerwu błędnego

Technologia ta pozwoliła na pierwsze bezpośrednie pomiary napięcia nerwu błędnego u swobodnie poruszających się zwierząt. [3] Nerw błędny jest największym nerwem autonomicznym, unerwiającym każdy narząd w ciele. „Ton nerwu błędnego” to kliniczna miara, która, jak się uważa, wskazuje ogólny poziom aktywności nerwu błędnego. Napięcie nerwu błędnego ocenia się pośrednio poprzez zmienność rytmu serca (HRV), a nieprawidłowe napięcie nerwu błędnego jest związane z wieloma poważnymi stanami, takimi jak cukrzyca, niewydolność serca i nadciśnienie. Jednak ton nerwu błędnego nigdy nie był rejestrowany bezpośrednio, co prowadzi do nieporozumień w jego interpretacji i wpływa na skuteczność terapii nerwu błędnego. Używając elektrod stoczniowych z nanorurek węglowych, byliśmy w stanie przewlekle rejestrować aktywność neuronów z lewego nerwu błędnego szyjki macicy zarówno u znieczulonych, jak i nie znieczulonych szczurów. Tutaj pokazujemy, że toniczna aktywność nerwowa nie koreluje z typowymi wskaźnikami HRV ze znieczuleniem lub bez. Ponadto odkryliśmy, że średnia aktywność nerwu błędnego wzrasta podczas wdechu w porównaniu z wydechem; jednakże ten sygnał oddechowy nerwu błędnego również nie był skorelowany z HRV. Ta praca jest znaczącym krokiem naprzód w technologii rejestrowania i pogłębia naszą wiedzę na temat fizjologii i zachowania nerwu błędnego.

Zdolność do ciągłego rejestrowania spontanicznej aktywności nerwu błędnego u obudzonych, swobodnie poruszających się szczurów przez dłuższy czas do dwóch tygodni po implantacji jest znaczącym przełomem w tej dziedzinie. Nagranie neuronowe zostało zsynchronizowane z ciągłym nagraniem wideo badanych osób, a sortowanie kolców zostało użyte do oddzielenia częściowo odrębnych klastrów kolców skorelowanych z zachowaniem zwierząt zidentyfikowanym na podstawie nagrań wideo. Stwierdzono, że rozkłady interwałów między skokami zmieniają się w odpowiedzi na przyjmowanie pokarmu, co stanowi kolejną cechę neuronalną, którą można wykorzystać do dekodowania spontanicznej aktywności nerwu błędnego [4]. Kilka klastrów kolców pokazuje dostrojenie do jedzenia zwierząt, a dynamika wystrzeliwania wielu zdekodowanych klastrów kolców może być wykorzystana do klasyfikowania jedzenia w porównaniu do zachowań związanych z piciem, pielęgnacją i odpoczynkiem.

Badania koncentrują się na wykorzystaniu elektrod CNTY do chronicznego zapisu w małych nerwach autonomicznych

Ten kierunek badań koncentruje się na wykorzystaniu elektrod CNTY do przewlekłego zapisu w małych nerwach autonomicznych, takich jak nerw błędny i nerw językowo-gardłowy, oraz do stymulacji większych nerwów somatycznych i pęczków, takich jak nerw kulszowy szczura. Wyniki badań pokazują, że elektrody CNTY mogą być używane do przewlekłego rejestrowania małych nerwów, takich jak nerw błędny, dostarczając pierwszej demonstracji, że spontaniczne, fizjologicznie istotne sygnały autonomiczne mogą być rejestrowane chronicznie.

W jaki sposób ważny jest nerw błędny?

Nerw błędny odgrywa istotną rolę w homeostazie, szlakach odruchowych i reakcjach na zmiany fizjologiczne. Podczas gdy indywidualna aktywność kolców nerwu błędnego została zarejestrowana z izolowanych włókien i ostrych zapisów wewnątrznerwowych, jest to pierwszy przypadek zarejestrowania kolców nerwowych w nerwie błędnym w modelu przewlekłym. Badanie pokazuje, że za pomocą elektrod CNTY można rejestrować różne spontaniczne i istotne fizjologicznie sygnały z nerwu błędnego szczura pochodzącego od swobodnie poruszających się zwierząt.

Interfejsy neuronowe, które umożliwiają stabilne zapisy o wysokim współczynniku SNR, są niezbędne do precyzyjnej kontroli w pętli zamkniętej i ciągłego nagrywania w modelach zwierzęcych. Neurotechnologia wykorzystująca przędze z nanorurek węglowych ma znaczący potencjał w terapii stymulacji nerwu błędnego, która jest szybko rozwijającą się dziedziną z wieloma różnymi firmami i badaniami badającymi jej zastosowanie w leczeniu wielu różnych chorób, w tym epilepsji, otyłości i niewydolność serca.

Bibliografia

1. McCallum GA, Xiaohong Sui, Chen Qiu, Joseph Marmerstein, Yang Zheng, Thomas E. Eggers, Chuangang Hu, Liming Dai, Dominique M. Durand, Przewlekła interakcja z autonomicznym układem nerwowym za pomocą elektrod z przędzy z nanorurek węglowych (CNT), Nature Scientific Reports , 1, 11723, 2017
3. Józef T. Marmerstein, Grant A. McCallum, Dominique M. Durand, Bezpośredni pomiar napięcia nerwu błędnego u szczurów nie wykazuje korelacji z HRV, ScienceReports, 1210 (2021)
4. Joseph T. Marmerstein, Grant A. McCallum, Dominique M. Durand Dekodowanie aktywności nerwu błędnego za pomocą czujników z nanorurek węglowych u swobodnie poruszających się gryzoni, Biosensors- 1569057, 2022