Artykuł metodologiczny

Laboratoryjne podawanie przezskórnej stymulacji nerwu błędnego usznego (taVNS): technika, celowanie i rozważania

44.7K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/58984

⸱

7 stycznia 2019

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Biomedical Engineering, City College of New York, 2U.S. Army Research Laboratory, Aberdeen Proving Ground, 3Brain Stimulation Laboratory, Department of Psychiatry, Medical University of South Carolina, 4Department of Pediatrics, Medical University of South Carolina, 5Department of Neurology, Medical University of South Carolina, 6Ralph H. Johnson VA Medical Center

* These authors contributed equally

W tym artykule

Podsumowanie

Opisano metodologiczny opis techniki, potencjalnych celów i prawidłowego podawania przezskórnej stymulacji nerwu błędnego (taVNS) na ucho ludzkie.

Streszczenie

Nieinwazyjna stymulacja nerwu błędnego (VNS) może być stosowana za pomocą nowatorskiej, rozwijającej się techniki neuromodulacyjnej znanej jako przezskórna stymulacja nerwu błędnego (taVNS). W przeciwieństwie do VNS z implantacją szyjki macicy, taVNS jest niedrogą i niechirurgiczną metodą stosowaną do modulacji układu błędnego. taVNS jest atrakcyjny, ponieważ pozwala na szybkie przełożenie podstawowych badań VNS i służy jako bezpieczny, niedrogi i przenośny system neurostymulacji do przyszłego leczenia chorób ośrodkowych i obwodowych. Opisano tło i uzasadnienie taVNS, wraz z rozważaniami elektrycznymi i parametrycznymi, prawidłowym celowaniem w ucho i mocowaniem elektrod stymulacyjnych, indywidualnym dawkowaniem poprzez określenie progu percepcji (PT) oraz bezpiecznym podawaniem taVNS.

Wprowadzenie

Nerw czaszkowy X, lepiej znany jako nerw błędny, to duży przewód nerwowy, który ma swój początek w pniu mózgu ośrodkowego układu nerwowego i przemieszcza się po obrzeżach, obierając za cel każdy główny organ w klatce piersiowej i jamie brzusznej (Rysunek 1)1. Stymulacja nerwu błędnego (VNS) polega na chirurgicznym wszczepieniu elektrod bipolarnych wokół lewej gałęzi szyjnej nerwu błędnego. Impulsy elektryczne są dostarczane do nerwu błędnego za pomocą wszczepionego generatora impulsów (IPG) chirurgicznie wszczepionego w klatkę piersiową2. Chociaż VNS jest obecnie zatwierdzony przez FDA do leczenia padaczki, depresji opornej na leczenie i przewlekłej otyłości, jest to kosztowna procedura wymagająca wizyty w szpitalu i operacji. Długoterminowe bezpieczeństwo VNS jest dobrze znane, a większość rozważań dotyczących bezpieczeństwa dotyczy obecnych skutków ubocznych związanych z nasileniem (ochrypły głos, ból gardła) bez poważnych skutków ubocznych związanych ze stymulacją w ciągu ostatnich 25 lat jego klinicznego stosowania3.

Ostatnio pojawiła się nieinwazyjna forma VNS znana jako przezskórna stymulacja nerwu błędnego (taVNS)4. taVNS dostarcza stymulację elektryczną do gałęzi usznej nerwu błędnego (ABVN), łatwo dostępnego celu, który unerwia ludzkie ucho5. W ciągu ostatniej dekady kilka grup wykazało bezpieczeństwo i tolerancję tej metody6,7,8, w tym wpływ na ośrodkowy i obwodowy układ nerwowy9,10, oraz efekty behawioralne7,11,12,13 w populacjach neuropsychiatrycznych. taVNS jest również badany u osób jako obiecujący wzmacniacz cognitive14,15 i social functioning16,17,18. Wraz z rozwojem taVNS oferuje badaczom i klinicystom możliwość szybkiego tłumaczenia obiecujących badań VNS, które zostały opisane w różnych zaburzeniach, od urazów neurologicznych i psychologicznych19,20,21, addiction22, inflammation23, and tinnitus24,25.

Zasadniczo, taVNS jest metodologicznie podobny do tradycyjnie stosowanej przezskórnej elektrycznej stymulacji nerwów (TENS) stosowanej w leczeniu zaburzeń bólowych układu mięśniowo-szkieletowego26. Różnica polega na tym, że taVNS jest dostarczany do określonych anatomicznych celów ucha, które uważa się za unerwione przez ABVN5. Dziedzina ta nadal określa optymalne cele stymulacji27, chociaż dwa najczęstsze miejsca to przednia ściana zewnętrznego kanału słuchowego (tragus) i małżowina uszna. Stymulacja pozorowana może być prowadzona poprzez stymulację płatka ucha, obszaru, który uważa się za minimalny unerwienie ABVN (Rysunek 2). Alternatywnie, pozorowanie może być dostarczane za pomocą metody kontroli biernej, w której elektrody są przymocowane do miejsc aktywnych, ale nie jest dostarczana stymulacja. Parametry stymulacji mogą różnić się w zależności od grupy, jednak według literatury stymulacja jest dostarczana w sposób pulsacyjny (szerokość impulsu: 250–500 μs, częstotliwość: 10–25 Hz) i dostarczany przy zindywidualizowanym prądzie stałym (<5 mA). Prąd stymulacji różni się w zależności od indywidualnego i eksperymentalnego protokołu, przy czym wiele grup bada różne intensywności w funkcji indywidualnego progu percepcyjnego (PT). PT jest definiowany jako minimalna ilość prądu wywołująca odczuwalne odczucie w miejscu docelowym i jest zwykle określany za pomocą oszacowania parametrycznego za pomocą dostosowanego oprogramowania do testowania sekwencyjnego (PEST) opisanego w niniejszym raporcie.

taVNS to bezpieczna technika, która może być stosowana w warunkach laboratoryjnych lub klinicznych. Skutki uboczne taVNS są minimalne, a najczęstszym skutkiem ubocznym jest podrażnienie lub zaczerwienienie skóry. Większość badań taVNS dotyczy stymulacji lewego ucha, ponieważ uważa się, że jest ona bezpieczniejsza, chociaż dane z dużego badania (Badran i in. 2018) pokazują, że stymulacja prawostronna nie zwiększa ryzyka zdarzeń niepożądanych. Ze względu na bogactwo literatury na temat jednostronnej stymulacji lewej strony, zilustrujemy typową konfigurację taVNS dla badań laboratoryjnych badających zastosowanie lewostronnej taVNS jako interwencji.

Protokół

Ten eksperymentalny protokół ilustruje typową konfigurację taVNS do użytku w warunkach laboratoryjnych lub klinicznych, w której naszym celem jest stymulacja przedniej ściany kanału słuchowego (tragus) w pozycji leżącej na plecach za pomocą okrągłej metalowej elektrody o średnicy 8mm. Metody te można naśladować w przypadku alternatywnych aktywnych miejsc leczenia, po prostu zmieniając pozycję elektrody na małżowinę konchową. Wszystkie metody i procedury zostały zatwierdzone przez IRB przez Human Research Protection Program (HRPP) w City College New York.

1. Materiały

  1. Upewnij się, że wszystkie materiały wymagane do podania taVNS są przygotowane (Rysunek 3). Stymulator taVNS może być urządzeniem zasilanym bateryjnie, które spełnia lokalne przepisy bezpieczeństwa lub zasilanym z konwencjonalnego gniazdka elektrycznego z wbudowanymi mechanizmami bezpieczeństwa, które zapobiegają niezamierzonym przepięciom elektrycznym. Wymagany jest stymulator prądu stałego (sterowany prądem) o maksymalnej mocy wyjściowej 5 mA.
  2. W przypadku taVNS należy stosować elektrody stymulacyjne wykonane z okrągłego metalu przewodzącego (cyna, Ag/AgCl, złoto) w połączeniu z medium przewodzącym, takim jak żel elektrolitowy lub pasta przewodząca (patrz tabela materiałów). Alternatywnie użyj elektrod przewodzących wykonanych z elastycznych przewodzących elektrod węglowych i żelu przewodzącego, które mogą, ale nie muszą, być adhezyjne. Nigdy nie umieszczaj elektrod bezpośrednio na skórze bez medium przewodzącego, ponieważ może to stanowić niepotrzebne ryzyko dla uczestnika i powodować dyskomfort lub ból.
  3. Korzystać z uruchomionego na komputerze oprogramowania skryptowego (patrz tabela materiałów), które jest zaprogramowane i służy do sterowania stymulatorem i inicjowania stymulacji o określonych parametrach. Parametry te obejmują natężenie prądu (mA), szerokość impulsu (μs), częstotliwość (Hz), cykl pracy (czas włączania/wyłączania, s), czas trwania sesji (min).
  4. Użyj wacików nasączonych alkoholem (70% alkoholu izopropylowego), aby przygotować powierzchnię skóry przed przymocowaniem elektrod do ucha. Usuwa to oleje powierzchniowe z powierzchni skóry i zmniejsza opór skóry, zapewniając stymulację na bezpiecznym poziomie mocy.

2. Celowanie w uszy i przygotowanie skóry

  1. Do przeprowadzenia taVNS w środowisku badawczym należy zastosować następujące ogólne kryteria włączenia: wiek 18–70 lat, brak bólu twarzy lub ucha, brak niedawnego urazu ucha, brak metalowych implantów, w tym rozruszników serca, brak ciąży.
  2. W eksperymentach z udziałem zdrowych uczestników w warunkach laboratoryjnych należy stosować następujące kryteria wykluczenia: osobista lub rodzinna historia napadów padaczkowych, zaburzenia nastroju lub układu krążenia, uzależnienie od alkoholu lub niedawnego zażywania nielegalnych narkotyków, wszelkie środki farmakologiczne, o których wiadomo, że zwiększają ryzyko napadów.
  3. Posadź uczestnika na wygodnym łóżku lub krześle w pozycji leżącej na plecach lub w innej zrelaksowanej pozycji z nogami uniesionymi i podpartą głową.
  4. Sprawdź lewe ucho uczestnika. Upewnij się, że nie jest założona żadna biżuteria, a cały makijaż i balsam zostały usunięte. Upewnij się, że w miejscu stymulacji nie ma przeciwwskazań związanych ze skórą, w tym oparzeń słonecznych, skaleczeń, zmian chorobowych, otwartych ran.
  5. Znajdź cel stymulacji, oznaczony przez przednią ścianę zewnętrznego przewodu słuchowego na zewnątrz, znajdując tragus. Stymulacja będzie dostarczana do części przewodu słuchowego znajdującej się bezpośrednio za tragusem (Rysunek 4).
  6. Użyj wacika nasączonego alkoholem, aby delikatnie wyszorować miejsce docelowe, zarówno wewnętrznie, jak i zewnętrznie, aby zmniejszyć opór skóry i zwiększyć przewodność.

3. Przygotowanie i rozmieszczenie elektrod

  1. Jeśli używasz elektrod jednorazowych, należy je wizualnie sprawdzić, aby upewnić się, że odsłonięta jest czysta, wolna od korozji powierzchnia. Upewnij się, że elektrody są zdezynfekowane, aby zapobiec rozprzestrzenianiu się bakterii między obiektami. Można to zrobić za pomocą chusteczek nasączonych alkoholem lub chusteczek sterylizacyjnych do szorowania elektrod. Jeśli używasz elektrod jednorazowych, przejdź do kroku 3.2.
  2. Równomiernie rozprowadź cienką warstwę pasty przewodzącej na powierzchni elektrody. Spowoduje to rozprowadzenie energii elektrycznej do miejsca stymulacji. W przypadku okrągłej elektrody o średnicy 8 mm wystarczająca jest ilość pasty wielkości ziarnka grochu. Rozprowadź pastę za pomocą wąskiego drewnianego aplikatora, aby utworzyć cienką warstwę <1 mm pasty na obu elektrodach.
  3. Podłącz elektrod do urządzenia stymulacyjnego, gdy urządzenie jest wyłączone i sprawdź polaryzację elektrod (czerwona/elektroda dodatnia: anoda,/elektroda ujemna: katoda). Jest to ważny szczegół, ponieważ celowanie zależy od polaryzacji - anoda (czerwony/dodatni koniec) to elektroda umieszczona wewnątrz kanału słuchowego i skierowana na przednią ścianę zewnętrznego kanału słuchowego. Katoda (końcówka/ujemna) znajduje się na zewnątrz ucha przymocowanego do tragusa. W celu stymulacji pozorowanej anodę umieszcza się po przedniej stronie ucha.
  4. Przypnij elektrodę sprężynową do tragusa tak, aby anoda stykała się z przednią ścianą zewnętrznego przewodu słuchowego, a katoda stykała się z przednią częścią tragusa.
    nuta: W przypadku prowadzenia stymulacji pozorowanej przypiąć elektrodę do płatka ucha (kontrola aktywna). Alternatywnie, stymulacja pozorowana może być dostarczana poprzez przymocowanie klipsów stymulacyjnych do miejsca aktywnego i brak dostarczania prądu elektrycznego (kontrola pasywna).
  5. Ponieważ badani będą odczuwać nacisk elektrod przypiętych do ucha, upewnij się, że ciśnienie to nie jest nieprzyjemne ani nie zakłóca regionalnego przepływu krwi, o czym świadczy blada biała skóra w miejscu klipsa lub ból fizyczny odczuwany przez badanego. Po tym momencie określ próg percepcyjny (PT), który zostanie opisany w następnym kroku proceduralnym.

4. Wyznaczanie progu percepcyjnego (PT)

UWAGA: Próg percepcyjny jest krytyczną wartością używaną do określenia mocy stymulacji taVNS. Wartość ta jest definiowana jako minimalna ilość energii elektrycznej wymaganej do postrzegania stymulacji elektrycznej na skórze opisanej jako uczucie kłucia lub mrowienia.

  1. Określ PT za pomocą prostego binarnego wyszukiwania parametrycznego typu step-up i step-down. Najpierw włącz stymulator i ustaw wyjście na 3 mA. Dostarcz 1-sekundowy ciąg stymulacji taVNS o żądanej szerokości impulsu (zwykle 250–500 μs) i częstotliwości (25 Hz, może się różnić w zależności od zastosowania).
  2. Zapytaj badanego, czy poczuł stymulację. Uczucie jest zwykle zgłaszane jako uczucie "łaskotania" lub "kłucia".
    1. Jeśli TAK, zmniejsz intensywność stymulacji o 50% i powtórz krok 4.2. Jeśli NIE, zwiększ intensywność stymulacji o 50% i powtórz krok 4.2.
  3. Powtarzaj proces opisany w kroku 4.2, aż do zarejestrowania co najmniej 4 odpowiedzi "TAK", w których czwarta odpowiedź TAK musi nastąpić po NIE. Intensywność (w mA) PT będzie wartością, przy której badany wypowiada swoją czwartą odpowiedź TAK.
  4. Użyj przykładu, w którym znajdowanie progu PT jest wymienione w tabeli 1, aby pomóc w określeniu PT.

5. Dostarczanie stymulacji

  1. Gdy badany poczuje się komfortowo, elektrody stymulacyjne są odpowiednio przymocowane do pożądanego celu, a próg percepcyjny jest określony na żądaną szerokość i częstotliwość impulsu, rozpocznij stymulację.
  2. Użyj komputera z graficznym interfejsem użytkownika generującym impulsy (np. stimDesigner, freeware dołączonym do tego manuskryptu) podłączonego do jednostki akwizycji danych (DAQ) do sterowania systemem stymulacji. Oprogramowanie powinno wyprowadzać impulsy TTL jako programowalne ustawienia ( Rysunek 5). Impulsy TTL będą przesyłane BNC do portu "trigger in" stymulatora. Ten interfejs oprogramowania/stymulatora umożliwia modulację częstotliwości, cyklu pracy (czas włączenia/wyłączenia) i czasu trwania sesji ( Rysunek 6). Używany graficzny interfejs użytkownika jest dołączony jako bezpłatny zasób o otwartym kodzie źródłowym do tego rękopisu.
    1. Upewnij się, że stymulacja jest dostarczana na bardzo wysokich poziomach, takich jak 200% klasy PT 8,< sup class = "xref">9. Na przykład, jeśli PT zostanie określone na 0,8 mA, stymulacja zostanie dostarczona przy 1,6 mA.
    2. Upewnij się, że wytyczne dotyczące cykli pracy są przestrzegane podczas przeprowadzania długich sesji stymulacji. Typowe cykle pracy mają 30–60 s okresów "włączenia" i 60–120 s okresów "wyłączenia" lub 20–50% cykli pracy.
    3. Zmieniaj długość sesji stymulacji (czas całkowity). Badania sugerują, że 30-60 minutowe sesje stymulacji przy 25% cyklu pracy są bezpieczne i wolne od jakichkolwiek ostrych skutków ubocznych lub zdarzeń niepożądanych. Sesje te można bezpiecznie powtarzać w odstępach 12–24 godzin.
      UWAGA: bezpieczeństwo taVNS jest niejasne w przypadku dłuższych okresów sesji stymulacji, większych procentowych cykli pracy (>40%), przyspieszonych paradygmatów i wyższych dawek prądu stymulacji.

6. Po taVNS

  1. Po zakończeniu stymulacji zapisz obiektywne dane dotyczące dyskomfortu stymulacji i skutków ubocznych. Chociaż taVNS, podobnie jak wszczepialny VNS, ma ograniczone obawy dotyczące bezpieczeństwa8,28, monitoruj i rejestruj odczucia, dyskomfort i wszelkie zdarzenia niepożądane w skali od 0 do 1029.
  2. Wyjmij elektrodę stymulacyjnej z ucha i usuń resztki pasty przewodzącej z ucha pacjenta za pomocą wacika nasączonego alkoholem.
  3. Użyj alkoholu do czyszczenia i dezynfekcji elektrody stymulacyjnej natychmiast po wyjęciu z ucha pacjenta.
  4. Sprawdź ucho pod kątem zaczerwienienia lub podrażnienia w miejscu stymulacji i zapisz wszelkie obserwacje.

Wyniki

Przy prawidłowym przygotowaniu skóry progi percepcyjne są odwrotnie skorelowane z szerokością impulsu stymulującego. Wraz ze wzrostem szerokości impulsu próg percepcyjny maleje (Rycina 7). Wstępne badania przeprowadzone przez tę grupę, badające wpływ szerokości impulsu na PT u zdrowych osób (spełniających wymienione powyżej kryteria włączenia/wykluczenia), wykazały, że łączny ogólny (n=15, 7 kobiet, średni wiek 26,5 ± 4,99) PT przy 100 μs = 3,92 ± 1,1 mA; 200 μs = 2,24 ± 0,74 mA; 500 μs = 1,24 ± 0,41 mA. Progi te sugerują, że do stymulacji przy parametrach szerokości impulsu 500 μs wymagany jest stymulator prądu stałego o możliwości dostarczenia prądu do 5 mA, natomiast dla mniejszych szerokości impulsu wymagany jest stymulator o natężeniu minimum 10 mA (Tabela 2). Wymagane jest precyzyjne dostrojenie prądu, przy czym niezbędne są przyrosty rzędu 0,1 mA w celu uzyskania dokładnej stymulacji.

Podawanie stymulacji na poziomie 200% PT jest tolerowane i względnie bezbolesne, co wykazano przy użyciu numerycznych skal oceny bólu (NRS)9,30. Skala NRS to system oceny bólu w zakresie 0-10, w którym badani zgłaszają odczuwanie bólu lub dyskomfortu29. Zarówno stymulacja aktywna, jak i pozorna (Sham) wykazały podobnie niskie poziomy bólu (NRS <3 dla wszystkich szerokości impulsów stymulacji. Bardziej szczegółowo, dla biologicznie aktywnej szerokości impulsu 500 μs przy częstotliwości 25 Hz średnie oceny wyniosły: Active = 1,98 ± 0,83, Sham = 2,17 ± 1,27 (n=25, 9 kobiet, średni wiek 25,16 ± 4,16 lat) (Tabela 3). Oceny bólu dla pozostałych parametrów nie były wyższe niż dla parametru 25 Hz, a szczegóły można znaleźć w poprzednich pracach grupy30.

Bezpieczeństwo i tolerancja sesji trwających od 30 min do 1 h przy cyklu pracy 20–50% zostały szeroko opisane w literaturze, przy czym w niektórych badaniach przeprowadzano wiele sesji w tym samym dniu w odstępach 12–15 h12,31. Nie zgłoszono żadnych poważnych zdarzeń niepożądanych u 60 osób uczestniczących w kilku seriach eksperymentów, w których liczba powtórnych wizyt wynosiła od 1 do 8, w odstępach co najmniej 24 godzin.

Wykazano, że taVNS, stosowany zgodnie z opisem w niniejszym manuskrypcie, moduluje autonomiczny układ nerwowy, indukuje zmiany w funkcjonalnej aktywności mózgu mierzonej sygnałem fMRI BOLD oraz został przetestowany w pilotażowych badaniach nad leczeniem zaburzeń neuropsychiatrycznych i wspieraniem rehabilitacji.

figure-results-1
Rysunek 1: Projekcje eferentne nerwu błędnego i przekrój poprzeczny. (A) Projekcje eferentne nerwu błędnego docierają do każdego głównego organu w organizmie, wywierając szeroki wpływ na funkcje organizmu (B) Przekrój poprzeczny nerwu błędnego, obrazujący wewnętrzną anatomię nerwu jako szereg pęczków włókien nerwowych, wszystkie zawarte w jednej głównej drodze. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

figure-results-2
Rysunek 2: Cele taVNS w obrębie ucha. Stymulację ABVN można przeprowadzić poprzez pobudzenie przedniej ściany zewnętrznego przewodu słuchowego, wyznaczanej w szczególności przez tragus (A1) lub cymba conchae (A2). Stymulację pozorowaną (sham) stosuje się w obrębie płatka ucha (S). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

figure-results-3
Rysunek 3: Kluczowe elementy. Minimalny zestaw komponentów wymaganych do prawidłowego przeprowadzenia taVNS obejmuje: (A) elektrody do stymulacji ucha, (B) żel przewodzący i gaziki nasączone alkoholem, (C) komputer zdolny do wysyłania i odbierania impulsów TTL do (D) stymulatora prądu stałego w celu wywołania stymulacji. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

figure-results-4
Rysunek 4: Przykładowa konfiguracja. Zdjęcie przedstawia osobę poddaną taVNS lewego ucha w pozycji przygotowanej do realizacji paradygmatu eksperymentalnego. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

figure-results-5
Rycina 5: Zrzut ekranu interfejsu graficznego użytkownika (GUI) wykorzystywanego do stymulacji. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

figure-results-6
Rycina 6: Manipulacje kształtem fali stymulacji elektrycznej. Bezpośredni prąd elektryczny w postaci fali prostokątnej może być dostarczany przy różnych parametrach. Rycina ta przedstawia kluczowe właściwości kształtu fali, które można zmieniać w celu osiągnięcia pożądanych efektów biologicznych. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

figure-results-7
Rycina 7: Wartości progu percepcyjnego przy zwiększającej się szerokości impulsu. Wraz ze wzrostem szerokości impulsu próg percepcyjny (PT) ulega obniżeniu. Większość zdrowych osób będzie miała PT w granicach 2 odchyleń standardowych (SD) od tych wartości średnich. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

figure-results-8
Tabela 1: Przykład określania progu percepcyjnego (PT).Tabela ta przedstawia przykładową sekwencję odpowiedzi Tak/Nie wykorzystywaną do parametrów określania PT.

figure-results-9
Tabela 2: Poziomy prądu stymulującego. Wartości prądu stymulującego w mA (200% PT) dla każdej szerokości impulsu (n=15).

figure-results-10
Tabela 3: Wartości PT, prądu stymulującego i poziomu bólu dla sugerowanych parametrów stymulacji. Wartości prądu stymulującego w mA (200% PT) dla każdej szerokości impulsu (n=25).

figure-results-11
Plik uzupełniający: Darmowy interfejs graficzny (GUI) użyty w tym protokole. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Dyskusja

Podobnie jak w przypadku wszystkich nowych metod, wszystkie opisane kroki mają kluczowe znaczenie dla bezpiecznego podawania taVNS. Najważniejszą kwestią jest bezpieczeństwo pacjenta, które obejmuje nie tylko ograniczanie ryzyka przed taVNS poprzez odpowiednie badania przesiewowe, ale także monitorowanie badanych podczas stymulacji pod kątem dyskomfortu, bólu lub zdarzeń niepożądanych. Oto trzy najważniejsze kwestie, które należy wziąć pod uwagę przy podawaniu taVNS. Badania przesiewowe w kierunku przeciwwskazań taVNS - przeciwwskazania są następujące: jakakolwiek obecna lub przeszła historia zaburzeń sercowo-naczyniowych, ból twarzy lub ucha, niedawny uraz ucha, metalowe implanty powyżej poziomu szyi. W celu prawidłowego przygotowania skóry pacjenta, usunięcie wszelkich olejków powierzchniowych, brudu lub makijażu z powierzchni skóry za pomocą alkoholu pomaga w przewodzeniu elektrod, zmniejsza napięcie stymulacji wymagane do napędzania stymulatora i ostatecznie skutkuje bardziej tolerowaną i bezpieczną sesją stymulacji. Zachęca się do stosowania stymulatora i elektrod spełniających wytyczne dotyczące przezczaszkowej stymulacji elektrycznej o niskiej mocy (LOTES)32. LOTES ustala wytyczne i standardy branżowe dla stymulatorów elektrycznych, które są przeznaczone do stymulacji głowy i szyi, i zachęca się grupy do zapoznania się z tym dokumentem przed zbudowaniem własnych systemów. Zaleca się stosowanie stymulatora wtykowego zatwierdzonego przez FDA (patrz tabela materiałów) lub niskonapięciowego (<50 V), zasilanego bateryjnie, stabilizatora prądu z wbudowanymi odpowiednimi środkami bezpieczeństwa, aby uniknąć niezamierzonego nadmiernego dostarczania prądu do miejsca stymulacji. Upewnij się, że elektrody są wyprodukowane i zmontowane do określonego użytku w taVNS. Upewnij się, że aktualne wytyczne dotyczące produkcji i inżynierii są przestrzegane jako odniesienie, jeśli używane są niestandardowe systemy wyprodukowane w laboratorium.

Jednym z czynników branych pod uwagę przy taVNS jest zapewnienie, że napięcie wyjściowe stymulatora prądu stałego może przezwyciężyć opór skóry i dostarczyć prąd wymagany do stymulacji. Prawo Ohma (V=IR) pokazuje zależność między prądem (I) a rezystancją skóry (R). Zalecany jest stymulator stołowy o napięciu co najmniej 20 V, aby uniknąć systemu o zbyt małej mocy. Ciepło wytwarzane przez skórę głowy lub otoczenie może powodować degradację pasty przewodzącej. W takim przypadku zaleca się przerwanie stymulacji i ponowne przygotowanie skóry i elektrod za pomocą nowej pasty przewodzącej.

Ograniczeniem taVNS jest ogromna przestrzeń parametrów. Nie wiadomo, co jest ważniejsze – szerokość impulsu czy częstotliwość. Brakuje danych z ostatnich badań taVNS, które odpowiadałyby na takie pytania. Różne efekty behawioralne wynikają z różnych szerokości impulsów, częstotliwości i prądów stymulacji 13,33,34,35,36,37,38,39.

W tej chwili sugeruje się, że szerokość impulsu 500 μs jest najbardziej aktywna biologicznie9. Jeśli chodzi o częstotliwość, wykazano, że 25 Hz jest częstotliwością efektywną, chociaż obecnie prowadzone są badania nad optymalnymi, takimi jak wyższe częstotliwości (>25 Hz), obustronna stymulacja (lewe i prawe ucho) oraz eksperymentalne paradygmaty wybuchów. Potrzebne są badania badające różne parametry stymulacji, alternatywne miejsca stymulacji i optymalizację cyklu pracy, aby rozwinąć i udoskonalić metodę taVNS.

taVNS jest obiecującą, nieinwazyjną alternatywą dla konwencjonalnego VNS. taVNS zapewnia niedrogą (<5000 USD w zademonstrowanej konfiguracji eksperymentalnej, koszt w dużej mierze zależy od rodzaju użytego stymulatora) i prostą metodę, która może być wykorzystana do przełożenia pozytywnych wyników w modelach zwierzęcych badających zastosowanie VNS na różne zaburzenia, nieinwazyjną modulację autonomicznego układu nerwowego oraz potencjalnie zminiaturyzowaną i zoptymalizowaną pod kątem domowej neuromodulacji w leczeniu zaburzeń neuropsychiatrycznych i innych.

Przyszły potencjał i możliwe zastosowania taVNS są ogromne. taVNS może służyć jako obiecujące leczenie wspomagające lub samodzielne leczenie zaburzeń neuropsychiatrycznych, takich jak depresja i padaczka, trening rehabilitacyjny sparowany z taVNS w celu przywrócenia lub przyspieszenia uczenia się zachowania40, zmniejszenia odpowiedzi zapalnej41,42 i może być potencjalnie stosowany w celu poprawy wydajności i funkcji autonomicznej 8,10.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Badania opisane w tej publikacji były wspierane przez fundusze z National Institutes of Health National Center of Neuromodulation for Rehabilitation, NIH/NICHD Grant Number P2CHD086844, który został przyznany Uniwersytetowi Medycznemu Południowej Karoliny. Wyłączną odpowiedzialność za treść ponoszą autorzy i niekoniecznie reprezentują one oficjalne poglądy NIH lub NICHD.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
70% chusteczki nasączone alkoholem izopropylowymWszelkiedotyczyWszelkie waciki nasączone alkoholem używane do skóry w odpowiednim przypadku.
Stymulator prądu stałego (wyzwalany)StymulatorSoterix MedicalN/Awyprodukowany do użytku na zamówienie przez Soterix
Medical Jednorazowe elektrody przewodząceSpecjalnie zbudowanestymulacyjne N/Asą budowane na zamówienie w City College Neural Engineering Lab (Badran/Bikson)
Oprogramowanie Matlab z graficznym interfejsem użytkownika stymulacjiMathWorksN/AMATLAB używany do programowania wzorca impulsu
Ten20 Pasta przewodzącaWeaver and CompanyN/APasta przewodząca stosowana do podawania stymulacji
nie elektrody

Bibliografia

  1. Berthoud, H. R., Neuhuber, W. L. Functional and chemical anatomy of the afferent vagal system. Autonomic Neuroscience. 85 (1-3), 1-17 (2000).
  2. George, M. S., et al. Vagus nerve stimulation: a new form of therapeutic Brain Stimulation. CNS Spectrums. 5 (11), 43-52 (2000).
  3. Nemeroff, C. B., et al. VNS therapy in treatment-resistant depression: clinical evidence and putative neurobiological mechanisms. Neuropsychopharmacology. 31 (7), 1345-1355 (2006).
  4. Ventureyra, E. C. Transcutaneous vagus nerve stimulation for partial onset seizure therapy. Child's Nervous System. 16 (2), 101-102 (2000).
  5. Peuker, E. T., Filler, T. J. The nerve supply of the human auricle. Clinical Anatomy. 15 (1), 35-37 (2002).
  6. Kreuzer, P. M., et al. Transcutaneous vagus nerve stimulation: retrospective assessment of cardiac safety in a pilot study. Frontiers in Psychiatry. 3, 70(2012).
  7. Kreuzer, P. M., et al. Feasibility, safety and efficacy of transcutaneous vagus nerve stimulation in chronic tinnitus: an open pilot study. Brain Stimulation. 7 (5), 740-747 (2014).
  8. Badran, B. W., et al. Short trains of transcutaneous auricular vagus nerve stimulation (taVNS) have parameter-specific effects on heart rate. Brain Stimulation. 11 (4), 699-708 (2018).
  9. Badran, B. W., et al. Neurophysiologic effects of transcutaneous auricular vagus nerve stimulation (taVNS) via electrical stimulation of the tragus: A concurrent taVNS/fMRI study and review. Brain Stimulation. 11 (3), 492-500 (2018).
  10. Clancy, J. A., et al. Non-invasive vagus nerve stimulation in healthy humans reduces sympathetic nerve activity. Brain Stimulation. 7 (6), 871-877 (2014).
  11. Usichenko, T., Hacker, H., Lotze, M. Transcutaneous auricular vagal nerve stimulation (taVNS) might be a mechanism behind the analgesic effects of auricular acupuncture. Brain Stimulation. 10 (6), 1042-1044 (2017).
  12. Rong, P., et al. Effect of transcutaneous auricular vagus nerve stimulation on major depressive disorder: A nonrandomized controlled pilot study. Journal of Affective Disorders. 195, 172-179 (2016).
  13. Bauer, S., et al. Transcutaneous vagus nerve stimulation (tVNS) for treatment of drug-resistant epilepsy: a randomized, double-blind clinical trial (cMPsE02). Brain Stimulation. 9 (3), 356-363 (2016).
  14. Jacobs, H. I., Riphagen, J. M., Razat, C. M., Wiese, S., Sack, A. T. Transcutaneous vagus nerve stimulation boosts associative memory in older individuals. Neurobiology of Aging. 36 (5), 1860-1867 (2015).
  15. Jongkees, B. J., Immink, M. A., Finisguerra, A., Colzato, L. S. Transcutaneous Vagus Nerve Stimulation (tVNS) Enhances Response Selection During Sequential Action. Frontiers in Psychology. 9, 1159(2018).
  16. Sellaro, R., de Gelder, B., Finisguerra, A., Colzato, L. S. Transcutaneous vagus nerve stimulation (tVNS) enhances recognition of emotions in faces but not bodies. Cortex. 99, 213-223 (2018).
  17. Jin, Y., Kong, J. Transcutaneous vagus nerve stimulation: a promising method for treatment of autism spectrum disorders. Frontiers in Neuroscience. 10, (2016).
  18. Colzato, L. S., Ritter, S. M., Steenbergen, L. Transcutaneous vagus nerve stimulation (tVNS) enhances divergent thinking. Neuropsychologia. 111, 72-76 (2018).
  19. George, M. S., et al. Vagus nerve stimulation for the treatment of depression and other neuropsychiatric disorders. Expert Review of Neurotherapeutics. 7 (1), 63-74 (2007).
  20. Kong, J., Fang, J., Park, J., Li, S., Rong, P. Treating Depression with Transcutaneous Auricular Vagus Nerve Stimulation: State of the Art and Future Perspectives. Frontiers in Psychiatry. 9, 20(2018).
  21. Dawson, J., et al. Safety, feasibility, and efficacy of vagus nerve stimulation paired with upper-limb rehabilitation after ischemic stroke. Stroke. 47 (1), 143-150 (2016).
  22. Liu, H., et al. Vagus nerve stimulation inhibits heroin-seeking behavior induced by heroin priming or heroin-associated cues in rats. Neuroscience Letters. 494 (1), 70-74 (2011).
  23. Zhang, Y., et al. Chronic Vagus Nerve Stimulation Improves Autonomic Control and Attenuates Systemic Inflammation and Heart Failure Progression in a Canine High-Rate Pacing ModelCLINICAL PERSPECTIVE. Circulation: Heart Failure. 2 (6), 692-699 (2009).
  24. De Ridder, D., Kilgard, M., Engineer, N., Vanneste, S. Placebo-controlled vagus nerve stimulation paired with tones in a patient with refractory tinnitus: a case report. Otology & Neurotology. 36 (4), 575-580 (2015).
  25. Shim, H. J., et al. Feasibility and safety of transcutaneous vagus nerve stimulation paired with notched music therapy for the treatment of chronic tinnitus. Journal of Audiology & Otology. 19 (3), 159-167 (2015).
  26. Chesterton, L. S., Foster, N. E., Wright, C. C., Baxter, G. D., Barlas, P. Effects of TENS frequency, intensity and stimulation site parameter manipulation on pressure pain thresholds in healthy human subjects. Pain. 106 (1-2), 73-80 (2003).
  27. Badran, B. W., et al. Tragus or cymba conchae? Investigating the anatomical foundation of transcutaneous auricular vagus nerve stimulation (taVNS). Brain Stimulation. 11 (4), 947-948 (2018).
  28. Ramsay, R. E., et al. Vagus nerve stimulation for treatment of partial seizures: 2. Safety, side effects, and tolerability. First International Vagus Nerve Stimulation Study Group. Epilepsia. 35 (3), 627-636 (1994).
  29. Farrar, J. T., Young, J. P., LaMoreaux, L., Werth, J. L., Poole, R. M. Clinical importance of changes in chronic pain intensity measured on an 11-point numerical pain rating scale. Pain. 94 (2), 149-158 (2001).
  30. Badran, B. W., et al. Short trains of transcutaneous auricular vagus nerve stimulation (taVNS) have parameter-specific effects on heart rate. Brain Stimulation. , (2018).
  31. Bauer, S., et al. Transcutaneous Vagus Nerve Stimulation (tVNS) for Treatment of Drug-Resistant Epilepsy: A Randomized, Double-Blind Clinical Trial (cMPsE02). Brain Stimulation. 9 (3), 356-363 (2016).
  32. Bikson, M., et al. Limited output transcranial electrical stimulation (LOTES-2017): Engineering principles, regulatory statutes, and industry standards for wellness, over-the-counter, or prescription devices with low risk. Brain Stimulation. 11 (1), 134-157 (2018).
  33. Kraus, T., et al. BOLD fMRI deactivation of limbic and temporal brain structures and mood enhancing effect by transcutaneous vagus nerve stimulation. Journal of Neural Transmission. 114 (11), 1485-1493 (2007).
  34. Kraus, T., et al. CNS BOLD fMRI effects of sham-controlled transcutaneous electrical nerve stimulation in the left outer auditory canal-a pilot study. Brain Stimulation. 6 (5), 798-804 (2013).
  35. Fallgatter, A., et al. Far field potentials from the brain stem after transcutaneous vagus nerve stimulation. Journal of Neural Transmission. 110 (12), 1437-1443 (2003).
  36. Fallgatter, A. J., Ehlis, A. -C., Ringel, T. M., Herrmann, M. J. Age effect on far field potentials from the brain stem after transcutaneous vagus nerve stimulation. International Journal of Psychophysiology. 56 (1), 37-43 (2005).
  37. Polak, T., et al. Far field potentials from brain stem after transcutaneous vagus nerve stimulation: optimization of stimulation and recording parameters. Journal of Neural Transmission. 116 (10), 1237-1242 (2009).
  38. Greif, R., et al. Transcutaneous electrical stimulation of an auricular acupuncture point decreases anesthetic requirement. The Journal of the American Society of Anesthesiologists. 96 (2), 306-312 (2002).
  39. Wang, S. -M., Peloquin, C., Kain, Z. N. The use of auricular acupuncture to reduce preoperative anxiety. Anesthesia & Analgesia. 93 (5), 1178-1180 (2001).
  40. Badran, B. W., et al. Transcutaneous auricular vagus nerve stimulation (taVNS) for improving oromotor function in newborns. Brain Stimulation: Basic, Translational, and Clinical Research in Neuromodulation. , (2018).
  41. Borovikova, L. V., et al. Vagus nerve stimulation attenuates the systemic inflammatory response to endotoxin. Nature. 405 (6785), 458-462 (2000).
  42. Ulloa, L. The vagus nerve and the nicotinic anti-inflammatory pathway. Nature Reviews Drug Discovery. 4 (8), 673-684 (2005).

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Wyznaczanie progu percepcyjnegocelowanie w rozmieszczenie elektrodaplikacja pasty przewodz cejkonfiguracja urz dzenia do stymulacjiparametry szeroko ci impulsu i cz stotliwo ciprotok bezpiecze stwa podawanianieinwazyjna metoda neuromodulacji

Powiązane artykuły