Une équipe de recherche dirigée par l'UC San Diego a montré, pour la première fois, qu'un appareil portable et non invasif peut mesurer l'activité des nerfs cervicaux humains en milieu clinique.
L'appareil enregistre ce que l'équipe appelle la neurographie autonome (ANG), l'activité neuronale des nerfs vagues et du sinus carotidien humains ainsi que d'autres nerfs autonomes présents dans la peau et les muscles du cou. Le nerf vague est une « autoroute » du système nerveux involontaire, avec des vrilles s'étendant de la base du crâne à travers le torse et l'abdomen pour influencer la digestion, le rythme cardiaque et le système immunitaire. Le nerf vague joue un rôle essentiel dans la réponse inflammatoire du corps à une blessure ou une infection, et a fait l'objet de recherches sur des maladies mortelles comme la septicémie, l'une des principales causes de décès aux urgences touchant au moins 1,7 million d'adultes aux États-Unis chaque année selon le National Institute of General Medical Sciences, et le trouble de stress post-traumatique, qui touche environ 3,5 % de la population selon le National Institute of Mental Health.
Pour offrir aux professionnels de la santé un outil en temps réel et cliniquement éprouvé pour détecter les niveaux d'activité dans le système nerveux involontaire, un signe avant-coureur d'un corps sous stress, les chercheurs ont conçu un réseau d'électrodes flexibles et intégrées à l'adhésif (comme indiqué dans un article de 2022). Rapports scientifiques (article). L'étude actuelle, publiée le 29 juillet 2024 dans Communication de la nature Biologieont utilisé cette approche dans le but de détecter une activité neuronale profonde dans un modèle clinique hyperinflammatoire simulé.
« Nous sommes encouragés par nos résultats. Le dispositif est sur le point de fournir un marqueur diagnostique précoce d'une infection par un agent pathogène ou d'une inflammation due à un processus pathologique. »
Imanuel Lerman, auteur principal de l'étude, directeur du laboratoire Lerman de l'Institut Qualcomm, de la Faculté de médecine et de la Faculté d'ingénierie Jacobs de l'Université de Californie à San Diego, ainsi que du Centre d'excellence pour le stress et la santé mentale du VA
Lerman est le fondateur d'InflammaSense Inc., la société qui octroie la licence de la technologie du dispositif. « Sur la base des résultats de l'étude, nous déployons désormais le dispositif dans les unités de soins intensifs du Jacobs Medical Center de l'UC San Diego Health. Le dispositif détectera les signaux neuronaux involontaires précoces indiquant une septicémie imminente. »
Troy Bu, candidat au doctorat au département de génie électrique et informatique de la Jacobs School, est le premier auteur de l'étude.
En temps réel aux urgences
Pour remplacer les microélectrodes implantées chirurgicalement pour surveiller ou activer le nerf vague, le nouveau dispositif utilise une technique puissante appelée « magnétoneurographie » pour détecter plus précisément les décharges du nerf cervical de manière non invasive et en temps réel. L'appareil détecte les champs magnétiques provenant de l'activité des nerfs vagues et du sinus carotidien, qui « pulsent » pour avertir le système nerveux involontaire d'une menace.
Les chercheurs ont testé le dispositif sur neuf sujets adultes. Leur sang a été prélevé et leur plasma a été analysé pour déterminer les niveaux de base de protéines déclenchant l'inflammation, appelées cytokines. Ensuite, on leur a injecté des toxines d'origine bactérienne, appelées lipopolysaccharides, qui ont provoqué un état hyperinflammatoire temporaire dans le corps, imitant l'inflammation associée à une infection sanguine.
Dans une salle blindée magnétiquement du Centre de magnétoencéphalographie de l'Institut Qualcomm de l'Université de Californie à San Diego, les chercheurs ont placé des capteurs de leur appareil à des points du nerf vague sous l'oreille droite et au-dessus de l'artère carotide droite, où se trouvent le nerf vague et le nerf sinusal carotidien. L'appareil surveillait le rythme cardiaque et les champs magnétiques résultant de l'activité nerveuse.
Dans la demi-heure qui a suivi l'injection des lipopolysaccharides, l'appareil a détecté des changements dans l'activité nerveuse sous l'oreille droite. Les chercheurs ont confirmé l'augmentation de l'activité nerveuse et la libération de protéines inflammatoires grâce à des échantillons de sang. Ils ont également enregistré des changements dans le rythme cardiaque tout au long de l'intervention, ainsi qu'un lien notable entre les décharges nerveuses aux deux endroits et les changements d'une cytokine inflammatoire particulière appelée nécrose tumorale alpha, ou TNF-α, et de la cytokine anti-inflammatoire appelée IL-10.
Le TNF-α est en quelque sorte un signe avant-coureur ; les patients présentant des niveaux élevés présentent un risque plus élevé de souffrir d'un choc septique, une maladie mortelle dans laquelle la réponse inflammatoire de l'organisme dépasse les limites et provoque des effets dévastateurs à l'échelle du système qui peuvent finalement entraîner la mort.
Des niveaux élevés d'IL-10, en revanche, peuvent indiquer des patients à risque d'immunoparalysie, une condition qui survient lors d'une septicémie lorsque les cellules immunitaires sont incapables de combattre les microbes étrangers ou résidents, ou les virus résidents qui peuvent conduire à une infection incontrôlée et à la mort.
« En cas de septicémie, chaque minute compte et les traitements précoces permettent de sauver des vies », a déclaré Bu. « La détection précoce de la septicémie est essentielle car, chaque heure où la septicémie n'est pas traitée, le risque de décès augmente jusqu'à 7 %. Notre technologie peut fournir aux médecins un signe avant-coureur d'une réponse hyperimmune ou immunoparalysante en cas de septicémie. Les médecins peuvent alors fournir le traitement approprié le plus rapidement possible. »
Comme dans l'étude de 2022, les chercheurs ont de nouveau constaté que les patients se répartissaient en groupes avec des réponses distinctes au stress de l'injection. Certains patients présentaient des pics plus élevés en présence de protéines inflammatoires et d'effets secondaires plus forts, tandis que d'autres présentaient des pics plus faibles.
Grâce à cette technologie, les médecins pourraient identifier des sous-groupes de patients présentant un risque plus élevé de réponse immunitaire hyperactive et d'immunoparalysie, deux maladies qui contribuent aux complications et à la mortalité liées à la septicémie. L'appareil pourrait également être utilisé pour déterminer si les traitements réduisent l'inflammation dans le corps, pour mieux comprendre le système nerveux et l'inflammation chez les personnes souffrant de TSPT et d'autres troubles de santé mentale, et pour adapter le dosage des thérapies qui ciblent le système nerveux de chaque patient.
Cette étude est le fruit d'une collaboration entre l'UC San Diego, les laboratoires nationaux Sandia, l'Université du Wisconsin-Madison, le VA Center for Stress and Mental Health, le laboratoire Quspin, l'Université de Stanford et InflammaSense Inc.
Le financement a été fourni par la Biomedical Advanced Research and Development Authority (BARDA) et le David and Janice Katz Neural Sensor Research Fund à la mémoire d'Allen E. Wolf.
