本方案介绍了如何在临床试验中应用经皮耳迷走神经刺激（taVNS），包括潜在的生物标志物（如脑电图指标和心率变异性（HRV）），以评估该治疗对自主神经系统的影响。
本文内容
摘要
摘要
多项研究已证实经皮耳迷走神经刺激（taVNS）在治疗多种疾病方面具有良好的应用前景；然而，目前尚无研究探讨该技术对神经网络及自主神经系统的作用机制。本研究旨在描述taVNS对脑电图（EEG）指标、心率变异性（HRV）以及疼痛水平的影响。健康受试者被随机分为两组：主动taVNS组和假刺激（sham taVNS）组。在基线状态、30 Hz、200–250 µs taVNS或假刺激30分钟及60分钟后，分别记录脑电图（EEG）和心率变异性（HRV），并计算各指标之间的差异。关于迷走神经的投射通路，一些研究已证实迷走神经在调节大脑活动、自主神经系统及疼痛通路中的作用。然而，仍需更多数据以阐明taVNS对这些系统的作用机制。在此背景下，本研究提出了一套方法学方案，旨在为深入讨论该技术的生理影响提供数据支持，从而有助于未来在多种疾病状态下的治疗性研究。
引言
经耳迷走神经刺激（taVNS）是一种新兴的神经调节技术，无需手术，通过将无创刺激装置置于耳甲或耳屏部位实现刺激。因此，该方法对患者而言更具可及性和安全性1。近年来，taVNS 领域迅速发展，研究主要集中在临床试验上，以验证其在多种病理状态中的潜在治疗优势，包括癫痫、抑郁症、耳鸣、帕金森病、葡萄糖耐量受损、精神分裂症和心房颤动2。关于 taVNS 及其对中枢和外周系统中生物过程的影响，尚有许多问题有待探讨。理想情况下，应存在一种生物标志物，能够证明迷走神经的耳支已被激活，进而影响颅内结构，使研究人员得以分析 taVNS 如何调节生理功能。然而，由于缺乏可靠的生物标志物，目前难以理解 taVNS 数据的含义，也无法对其进行有效解读。
脑电图（EEG）是一种有前景的成像工具，可为经皮迷走神经刺激（taVNS）提供生物标志物。它是一种非侵入性、可靠且经济的方法，用于测量和量化皮层活动3,4。在此基础上，本课题组开展了一项系统性综述，揭示了taVNS可能影响皮层活动的基本证据，主要表现为增强低频段（delta和theta频段）的EEG功率谱活动。然而，研究中也观察到高频段（alpha频段）结果存在差异，以及与抑制性任务相关的早期事件相关电位（ERP）成分发生变化。各研究之间存在高度异质性；因此，开展更具同质性、样本量更大且设计严谨的研究，对于得出关于taVNS对EEG所测脑活动影响的更可靠结论至关重要3。在taVNS过程中进行EEG评估，有望推动未来研究，促进两种技术的整合，从而开发出一种便携式、闭环、可监测且非侵入性的刺激工具，以调节脑部振荡活动4。
α波不对称性通过评估大脑半球之间，尤其是额叶电极处α频段活动的相对水平，是脑电图（EEG）研究中常用的生物标志物。既往文献利用该生物标志物分析“趋近-回避”假说5,6，该假说认为大脑右侧额区与回避行为相关，而左侧额区则与趋近行为相关。由于α波与较低的脑活动水平相关，大脑左侧α波增强提示活动降低，可能反映趋近行为的减弱。这一概念有助于解释抑郁症患者左侧半球α频段活动的部分研究结果7。此外，脑电图电极可记录神经元群体的活动，用于研究功能连接性（FC）或大规模脑网络（如默认模式网络，DMN）的变化7,8。
基于此，可采用定量脑电图评估经皮耳迷走神经刺激（taVNS）对脑活动的影响；然而，仍需更多研究系统地验证能够突出通过迷走神经耳支进行非侵入性刺激的具体指标及其效应。
在外周，迷走神经和交感神经系统介导心脏的收缩功能和电活动功能9。这种调节作用通过机体的生理表现——即窦性除极——促进并调控心脏起搏功能。心率变异性（HRV）记录每次窦性除极的节律变化，从而无创地反映迷走神经对窦房结的影响10。鉴于这一功能，HRV 被视为并广泛研究为一种重要的神经心脏功能生物标志物，与个体的健康状况以及患病率、死亡率和应激水平密切相关11,12。
在经皮耳迷走神经刺激（taVNS）的研究中，许多试验已记录了心率变异性（HRV），并认为刺激可调节HRV9,11,12。鉴于HRV降低已通过交感神经系统过度激活、炎症反应及氧化应激等机制与多种疾病的发病率和死亡率相关，taVNS对迷走神经的调节作用被认为可直接影响HRV及其窦性节律调节13,14。事实上，已有部分试验表明，taVNS可在健康受试者中提高HRV，从而支持这一假说15,16。然而，仍需进一步明确不同的taVNS参数是否会对HRV产生不同的影响。
目前尚无机制研究同时探讨经皮耳迷走神经刺激（taVNS）对神经网络及自主神经系统的影响。因此，本方案旨在评估taVNS对脑电图（EEG）指标和心率变异性（HRV）的影响，并评价其安全性。此外，本研究还旨在识别可能影响taVNS反应的预测因子。明确与taVNS反应相关的变量，有助于设计未来的临床试验，以最大化该干预措施的效果。
方案
所有研究操作均在斯波尔丁神经调节中心/斯波尔丁剑桥医院进行。本研究方案已获得麻省总医院布里格姆机构审查委员会（Mass General Brigham IRB）的伦理批准（方案编号：2022P003200）。所有受试者均通过加密的科研电子数据采集平台（REDCap）签署知情同意书（见材料表）。试验注册编号：NCT05801809。
1. 受试者选择与筛选
- 通过多种来源确定潜在受试者。
注意：本研究中的人类受试者通过以下途径招募：（1）在大波士顿地区公共场所张贴的宣传单，（2）互联网和报纸广告，（3）在公共交通系统（The T）上发布的广告，（4） 通过 麻省总医院布里格姆研究部的Rally平台（参见 材料表44名健康受试者被选入本研究。 - 联系符合条件的受试者，或通过电子方式请求许可以联系他们，以便提供有关该研究的更多信息。
- 首次接触时（通常为电话或 Zoom Enterprise 通话），由研究合作调查员实施一份在线初步筛查问卷。完成在线初步筛查流程后，将合作调查员收集的信息提交给研究的主要研究者（PI）进行进一步审核，以确认受试者的入选资格。随后，将初步筛查所获得的数据存储于加密的基于网络的平台中（REDCap，参见 材料表).
- 纳入年龄超过18岁且未接受过刺激（taVNS）的受试者。
- 排除孕妇、存在医学状况以及存在经耳迷走神经刺激禁忌证的个体。
2. 仪器设备详情
- 使用经皮耳迷走神经刺激（Transcutaneous Auricular Vagus Nerve Stimulation, taVNS）设备（图1），该设备包含一个耳塞装置（图2），其导电耳尖置于耳廓的耳甲腔部位（图3）。
- 将电极连接至刺激器，在主动刺激期间，以30 Hz、200–250 µs的参数对双侧耳甲艇进行60分钟的刺激。
注意：有关该设备及其相关配件的商业信息，请参见材料表。
3. taVNS 操作步骤
注意：该方案包含两次访视：访视1（知情同意、筛选及人口统计学信息收集）和访视2（评估与干预）。研究流程见图4。
- 在第2次访视时，将受试者随机分配至干预组。
注意：实验组接受主动taVNS，对照组接受假性taVNS。 - 在试验期间对受试者、干预团队（执行经皮耳迷走神经刺激干预的共同研究者/CO-Is）以及结局评估人员（执行评估或分析数据的共同研究者/CO-Is）实施盲法。确保由一名未参与研究的工作人员生成分配序列、密封信封，并由另一名不参与数据收集或分析的工作人员使用外观和视觉显示相同的外部设备，根据设备是否激活（有电流）或非激活（假刺激）随机分配受试者接受干预。
- 使用电子数据采集系统（REDCap）收集本研究的受试者数据。以下为执行的评估项目： 表1.
- 当受试者到达后，向其提供有关实验流程的信息。首先，使用热刺激作用于右前臂测定痛觉阈值，以评估疼痛水平和疼痛调节；采用冷水刺激进行条件化疼痛调节（Conditioned Pain Modulation, CPM）测试，具体操作遵循Granot提出的改良方案。17 和 Nirl18.
- 首先，通过使用帕尔帖温控探头（见 材料表在受试者右前臂施加短暂的热刺激（41–48 °C），每种温度持续7秒，计时从刺激强度达到目标温度时开始。
- 要求受试者使用数字疼痛评分量表（NPS）对疼痛强度进行评分，评分范围为0 =“无疼痛”至100 =“可想象的最严重疼痛”。
- 确定疼痛-60温度后，在该温度下施加测试刺激并持续30秒，要求受试者在热刺激探头达到疼痛-60温度后的10秒、20秒和30秒时，共三次对疼痛强度进行评分（三次疼痛评分的平均值将被计算）。
- 给予测试刺激后5分钟, 浸入 将受试者的左手浸入温度设定为10 °C至12 °C的水浴中，持续30秒，作为条件刺激。随后，在保持左手继续浸入的情况下，将相同的疼痛-60温度施加于受试者的右前臂，持续30秒，并在热刺激装置达到疼痛-60温度后，分别于10秒、20秒和30秒时，三次询问受试者对疼痛强度的评分。
注意：CPM（条件性疼痛调节）反应将通过测试刺激期间的平均疼痛评分减去条件刺激期间的平均疼痛评分之差来计算。
- 要求受试者佩戴HRV监测仪（显示在 图5 和 图6).
- 接下来，通过蓝牙将监测仪连接至平板电脑，记录5分钟基线心率变异性（HRV），用于分析高频（HF）、低频（LF）、低频/高频比值（LF/HF）及时间域指标。
- 连接脑电图仪至计算机系统，启动评估程序（静息态和任务相关态），并开始采集数据。 持续约30分钟。
- 接下来，设置taVNS设备。
- 检查受试者的耳部皮肤，用70%酒精棉片清洁并准备皮肤以放置电极。
- 接下来，将生理盐水溶液涂抹于耳部电极，将电极放置在耳朵上，然后开始刺激，持续60分钟。
- 当经皮迷走神经刺激（taVNS）达到30分钟时，再次记录心率变异性（HRV）和脑电图（EEG），仅记录5分钟。
- 刺激60分钟后，对受试者进行脑电图（EEG）、心率变异性（HRV）和疼痛评估，并重复试验前程序（如下所述）：
- 进行脑电图（EEG）和心率变异性（HRV）评估，持续约30分钟。
- 按照步骤 3.4 进行 CPM 评估。
- 评估副作用、疲劳和情绪状况。
- 完成该实验环节。
4. 随访程序
- 在对受试者进行随机分组并完成数据收集后，进行数据分析3。
结果
我们对首位随机化受试者进行了初步描述性分析，且未对研究进行揭盲。因此，该受试者被分配至哪个干预组尚不明确。该受试者为一名69岁女性，非西班牙裔白人，拥有大学学历，在刺激过程中及刺激后未报告任何不良事件。临床数据见表2。
此外，在静息态脑电图中，针对基线期、操作期间和操作后三个时间段的theta、alpha和beta频段，绘制了头皮地形图（图7）。在额区观察到alpha波的不对称分布模式。
图 1：主要的经皮迷走神经刺激（taVNS）设备，带有双侧电极。 请点击此处查看此图的放大版本。
图 2：taVNS 设备的耳机部分。 请点击此处查看此图的放大版本。
图3：taVNS设备电极的导电耳塞头。 请点击此处查看此图的放大版本。
图 4：研究访视方案。 各次访视中各项评估的时序流程展示。请点击此处查看本图的放大版本。
图5：使用64通道EGI系统进行EEG实验时受试者的示意图。 请点击此处查看该图的放大版本。
图6：受试者在脑电图检测期间接受经皮迷走神经刺激（taVNS）的示意图。 请点击此处查看该图的放大版本。
图7地形分布。 脑电图静息态下 theta（1-3.9 Hz）、alpha（8-12.9 Hz）和 beta（13-29.9 Hz）频段功率（范围为 35 至 44 dB，即 10 × log10 P）的地形分布图，分别显示干预前（基线）、干预期间和干预后（恢复期）三个时间点的结果。蓝色区域表示低活动性，红色区域表示高活动性。 请点击此处查看此图的放大版本。
| 知情同意与筛选 | 基线 | 干预 | 干预后 | |
| 访视 1（线上） | 访视 2 | 访视 2 | 访视 2 | |
| 人口统计学信息 | X | |||
| 病史 | X | |||
| 知情同意书 | X | |||
| 贝克抑郁量表 | X | |||
| EHI/SF | X | |||
| 妊娠试验 | X | |||
| BMIS | X | X | ||
| VAS-F | X | X | X | |
| 脑电图（EEG） | X | X | X | |
| 心率变异性（HRV） | X | X | X | |
| 定量感觉测试（QST） | X | X | ||
| 设盲成功问卷 | X | |||
| 预计访视时间 | 60 min | 60 min | 60 min | 30 min |
表1：评估方案。 “X”表示在每次访视中完成的步骤。
| 变量 | 人口统计学数据 | 基线 | 干预期间 | 干预后 |
| 年龄（岁） | 69 | |||
| 性别 | 女性 | |||
| 民族 | 非西班牙裔 | |||
| 种族 | 高加索人种 | |||
| 教育水平 | 大学学位 | |||
| 疼痛 60 | 47 | . | 44 | |
| TS | 3 | . | 1 | |
| CPM | 4 | . | 5 | |
| 情绪 | -6 | . | 9 | |
| 疲劳 | 5.7 | 6.6 | 6.76 | |
| HRV – HF | 0.046 | 0.066 | 0.584 | |
| HRV – LF | 0.073 | 0.043 | 0.037 |
表2：一名受试者的代表性临床数据。
讨论
经耳迷走神经刺激（taVNS）正成为治疗多种神经精神疾病的一种有前景的治疗途径。抑郁和焦虑等情绪障碍在全球范围内造成了重大的公共卫生负担，尤其是在新冠疫情期间19。近期关于taVNS的研究表明，该方法具有缓解此类疾病相关症状的潜力。
迷走神经在脑-肠轴和情绪反应调节中起着关键作用20。经皮迷走神经刺激（taVNS）被认为可调节包括血清素和去甲肾上腺素在内的神经递质活性，这些神经递质在情绪调节中至关重要。早期在健康受试者中开展的试验已证实taVNS的可行性和安全性，提示其作为情绪障碍非药物治疗手段的潜力21。此外，最近的一项荟萃分析显示，约80%的研究采用了本方案中设定的刺激参数，且未报告严重不良事件。该分析还表明，双侧刺激并不会显著增加心血管事件的发生风险，反而可能增强迷走神经刺激的效果。本研究预期将取得积极结果，为进一步在临床人群中开展研究奠定基础，同时提出采用双侧刺激方案，并为针对特定情绪相关神经通路开发个体化的taVNS治疗参数提供依据。
同样，慢性疼痛疾病（如纤维肌痛和神经性疼痛）由于治疗选择有限且存在阿片类药物依赖风险，构成了重大挑战。经皮耳部迷走神经刺激（taVNS）为此类情况带来了希望。通过刺激迷走神经，taVNS可触发内源性阿片物质的释放，并通过下行性疼痛通路抑制疼痛信号22。既往针对健康受试者的研究已揭示taVNS在减轻实验性疼痛感知方面的潜力23；然而，目前研究结果尚不明确。在后续研究中，我们将采用一系列全面的感觉测试评估健康受试者的疼痛处理特征，为验证taVNS干预方案提供关键的初步依据。
当前研究方法的局限性在于缺乏更多次的干预和随访评估，因此无法测量长期的效果量。此外，本研究仅限于健康受试者，这意味着如果在患有任何医学或心理疾病的其他人群中进行测试，可能会得到不同的结果。
总之，经皮迷走神经刺激（taVNS）在治疗情绪障碍和慢性疼痛等疾病方面具有重要意义。本研究将提供有关taVNS对生理过程影响的安全性、可行性和总体效应的见解，以建立taVNS如何影响神经生理机制的基础认知，增强对该技术潜在治疗价值的信心。
披露
H.C. 和 J.S. 与 Neurive 公司有直接关联，该公司致力于开发神经调节技术（如 taVNS）以治疗常见脑部疾病。F.F. 获得了美国国立卫生研究院（NIH）基金资助，并担任 Neurive 公司的顾问。本研究的资助方 Neurive 有限公司曾向斯波尔丁康复医院（Spaulding Rehabilitation Hospital）提供大额捐赠。相关经济利益已根据麻省总医院布里格姆医疗体系（Mass General Brigham，SRH 的所属机构）的利益冲突政策进行了审查和管理。
致谢
作者感谢研究团队（Maria Fernanda Andrade, Allison Kim, Robin Heemels）。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 可调节机械臂 | Electrical Geodesics, Inc. | 20090645 | |
| 婴儿洗发水 | Dynarex | 1396 | |
| 充电电缆 | NEURIVE Co. | HV12303003 | |
| 计算机 | Apple | YM92704U4PC | |
| 导电耳塞 | NEURIVE Co. | HV12303003 | |
| 耳机式装置 | NEURIVE Co. | HV12303003 | |
| 64通道脑电图帽 | Electrical Geodesics, Inc. | H11333 | |
| 心率传感器 | Polar | M311370175396 | |
| 显示器 | Dell | REVA01 | |
| Net Amps 300 | Electrical Geodesics, Inc. | A09370244 | |
| 帕尔帖温控探头 | Advanced Medical Systems, Ramat Yishai, Isreal | ||
| 氯化钾（干燥） | Electrical Geodesics, Inc. | 820127755 | |
| Rally | Mass General Brigham Research | 在线平台 | |
| 研究用电子数据采集系统（REDCap） | Vanderbilt | 基于网络的软件平台 | |
| 热感觉刺激仪 | Medoc Ltd | 1241 | |
| 经耳迷走神经刺激器 | NEURIVE Co. | HV12303003 |
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