Une équipe d’ingénieurs et de médecins de l’Université de Californie à San Diego a développé un appareil pour mesurer de manière non invasive l’activité des nerfs cervicaux chez l’homme, un nouvel outil qui, selon eux, pourrait potentiellement informer et améliorer les traitements des patients atteints de septicémie, une réponse potentiellement mortelle à l’infection et les problèmes de santé mentale, tels que le trouble de stress post-traumatique (SSPT).
L’appareil est décrit dans le numéro du 14 novembre 2022 de Rapports scientifiques.
« Pour la première fois, nous avons identifié des preuves électroneurographiques cervicales de biotypes autonomes (combat ou fuite contre repos et digestion) qui sont remarquablement cohérents à travers différents défis du système nerveux autonome ou involontaire », a déclaré l’auteur principal Imanuel Lerman, MD, professeur clinique d’anesthésiologie à l’UC San Diego School of Medicine, avec des nominations supplémentaires à l’UC San Diego Qualcomm Institute, à l’UC San Diego Jacobs School of Engineering et au VA Center of Excellence for Stress and Mental Health.
La recherche s’appuie sur les nombreux rôles fondamentaux du nerf vague cervical, la partie supérieure du nerf vague qui va de l’intestin au cerveau, fournissant des informations sur l’état des organes internes environnants, supervisant des fonctions corporelles cruciales comme la réponse immunitaire et la digestion. et jouer un rôle dans des troubles psychiatriques majeurs, tels que les troubles de l’humeur et l’anxiété.
Le nouvel appareil comprend un réseau flexible d’électrodes qui s’étendent du bas du devant au haut du dos du cou, permettant aux chercheurs de capturer l’activité électrique à travers différents nerfs. Une interface utilisateur intégrée permet une visualisation en temps réel des données et un algorithme personnalisé regroupe les personnes en fonction de la réponse de leur système nerveux au stress.
Dans le passé, la mesure de l’activité nerveuse dans le cou nécessitait souvent l’implantation chirurgicale de microélectrodes. Lerman, avec le co-auteur Todd Coleman, PhD, professeur au Département de bio-ingénierie de l’UC San Diego Jacobs School of Engineering, a entrepris de créer une méthode moins risquée et moins invasive en adaptant la technologie existante que Coleman avait développée avec son collègue Jonas Kurniawan, PhD, chercheur postdoctoral à l’Université de Stanford. L’ensemble flexible qui en résulte peut être porté jusqu’à une journée et se déplace facilement avec les mouvements de la tête et du cou du patient.
Pour explorer les biotypes autonomes humains, ou des groupes de patients dont le système nerveux involontaire répondait de manière similaire au stress, les chercheurs ont effectué une série de tests qui demandaient aux participants à l’étude de placer et de tenir leur main dans de l’eau glacée, suivis d’un exercice de respiration chronométré. Le réseau a enregistré la signalisation nerveuse cervicale ou l’électroneurographie cervicale, y compris la fréquence cardiaque chez les sujets avant et après le défi à l’eau glacée et pendant l’exercice de respiration.
Les chercheurs ont découvert que les participants à l’étude se répartissaient systématiquement en deux groupes de biotypes distincts : ceux dont le déclenchement neuronal et la fréquence cardiaque augmentaient au cours des deux tests et ceux qui présentaient la tendance opposée. L’algorithme unique de l’appareil a identifié des différences dans la réponse de groupes nerveux spécifiques aux facteurs de stress, tels que la douleur induite par l’eau glacée, et les symptômes physiques, tels que la transpiration et l’augmentation de la fréquence cardiaque associée au défi respiratoire chronométré.
Les résultats sont passionnants. Le tableau était capable d’enregistrer l’activité du système nerveux autonome, et nous avons été agréablement surpris d’observer une réponse autonome cohérente à travers les tests d’effort. Plus de travail est nécessaire, cependant, pour démontrer nos capacités de capteur dans de plus grandes populations. »
Todd Coleman, PhD, professeur, Département de bio-ingénierie, UC San Diego Jacobs School of Engineering
Bien que le réseau d’électrodes n’ait pas pu identifier les nerfs précis qui se déclenchent en réponse au stress et à la douleur du défi de l’eau froide, les chercheurs ont déclaré qu’ils espéraient qu’il aiderait un jour à diagnostiquer et à traiter des conditions telles que le SSPT et la septicémie. Par exemple, le nerf vague déclenche une inflammation en réponse à des blessures ou à une infection dans le corps, un mécanisme qui peut être perturbé par le SSPT. Les auteurs ont déclaré que leur nouvel appareil pourrait éventuellement aider les cliniciens à mesurer la réponse des patients au traitement du SSPT, comme les exercices de respiration profonde utilisés pendant la méditation de pleine conscience, en surveillant le déclenchement neuronal dans le nerf vague.
Lerman est déjà l’un des nombreux chercheurs à utiliser la stimulation électrique du nerf vague pour tester si la stimulation de ces structures neurales peut réduire l’inflammation et la douleur chez les personnes atteintes de SSPT.
Le réseau pourrait également favoriser la sécurité des pilotes d’avions militaires en détectant les poussées d’activité nerveuse qui provoquent des étourdissements ou des nausées.
En milieu hospitalier, suggèrent les auteurs, l’appareil pourrait aider à signaler les patients susceptibles de contracter des affections potentiellement mortelles comme la septicémie en identifiant les personnes qui réagissent fortement au stress physique.
La septicémie survient lorsque le système immunitaire de l’organisme réagit de manière excessive à une infection, endommageant ainsi ses propres tissus. Le risque de mortalité augmente rapidement avec le temps, de sorte que la technologie qui aide à détecter et à signaler les patients hospitalisés à risque fournirait aux médecins un avertissement précoce pour administrer des antibiotiques, améliorant ainsi les chances d’un patient d’éviter ou de survivre à une septicémie.
Dans une prochaine étape, les chercheurs prévoient d’intégrer le réseau avec du matériel supplémentaire pour un capteur portable sans fil pouvant être déployé à l’extérieur du laboratoire. Les chercheurs élaborent actuellement des plans pour un essai clinique de détection de la septicémie à l’hôpital.
L’étude était un effort interdisciplinaire impliquant des chercheurs de l’UC San Diego Qualcomm Institute, de l’UC San Diego School of Medicine, de l’UC San Diego Jacobs School of Engineering (génie électrique et informatique, science et ingénierie des matériaux, nanoingénierie et bioingénierie), du département de physique et de la Herbert Wertheim School of Public Health and Human Longevity Science, ainsi que des professeurs de l’Université de Stanford et du VA San Diego Healthcare System.
Les co-auteurs incluent : Yifeng Bu, Jonas F. Kurniawan, Jacob Prince, Andrew KL Nguyen, Brandon Ho, Nathan LJ Sit, Timothy Pham, Vincent M. Wu, Boris Tjhia, Tsung-Chin Wu, Xin M. Tu et Ramesh Rao , tous à l’UC San Diego ; et Andrew J. Shin, Université de Stanford.
Le financement de cette recherche est venu, en partie, de la Biomedical Advanced Research and Development Authority (subvention 75A50119C00038) et du David and Janice Katz Neural Sensor Research Fund in Memory of Allen E. Wolf.
