Salınım Alt Vücut Negatif Basınç ve Projeksiyon Takip regresyon yoluyla Serebral otoregülasyonda Değerlendirilmesi
December 10th, 2014
Serebral perfüzyon, serebral otoregülasyon yoluyla bir dizi basınç boyunca korunur. Bununla birlikte, otoregülasyonun karakterize edilmesi, düzenlenmiş frekanslarda belirgin basınç dalgalanmaları gerektirir. Açıklanan protokol, salınımlı alt gövde negatif basıncının, otoregülasyon eğrisinin nicelleştirilmesi için projeksiyon takibi regresyonu için veri sağlamak üzere nasıl basınç dalgalanmaları oluşturabileceğini gösterecektir.
Aşağıdaki deneyin genel amacı, sağlıklı bireylerde arteriyel kan basıncı ile serebral kan akışı dalgalanmaları arasındaki ilişkinin doğasını karakterize etmektir. Bu, ayakta dururken meydana gelenlere benzer merkezi kan hacmi kaymaları ve arteriyel basınç dalgalanmaları oluşturmak için salınımlı alt vücut negatif basıncı kullanılarak, ancak kas kasılmasına eşlik etmeden kontrollü ve kademeli bir şekilde elde edilir. İkinci adım projeksiyonu olarak, ölçülen arteriyel basınç ve serebral kan akışı arasındaki ilişkiyi ölçmek için takip regresyonu kullanılır.
Arteriyel basıncın, serebral akış ilişkisinin değiştiği ve ilişkinin yaklaşık olarak doğrusal olduğu her bölgedeki kazancın, o bölgedeki serebral otoregülasyonun etkinliğinin bir ölçüsü olarak tanımlandığı sonraki noktalar tahmin edilir. Sonuçlar, düşük vücut negatif basıncının salınımları yavaşladıkça, arteriyel basınç dalgalanmalarının daha büyük hale geldiğini, serebral kan akışındaki dalgalanmaların ise giderek daha etkili bir şekilde sönümlendiğini göstermektedir. Bu tekniğin transfer fonksiyonu analizi gibi mevcut yöntemlere göre temel avantajı, projeksiyon arayışının doğrusal olmayan, teorik bir yöntem olmasıdır, yani bir modelin öncelikli olarak ortaya konmaması, ancak doğrudan gözlemlerden yola çıkmasıdır.
Bu, fizyolojisi henüz açık modellerle tanımlanmamış bir sistemi karakterize etmek için kesin bir avantajdır. Prosedürü göstermek, laboratuvarımızdan bir biyomedikal mühendisi olan Jason Hamner olacak. Bu prosedüre başlamadan önce gerekli kurumsal onayları ve denek onayını aldığınızdan, deneği rahatça yerleştirdiğinizden ve çalışma boyunca kalp atış hızını ölçmek için bir elektrokardiyografi monitöründen deneğin gövdesine üç veya daha fazla elektrot taktığınızdan emin olun.
Ardından, deneğin göğsünün etrafına iliak tepe seviyesinde özel yapım bir neopren etek yerleştirin. Eteğin, nesneyi vücudun alt negatif basınç odasına kapatacak kadar sıkı olduğundan, ancak nefes almayı kısıtlamadığından veya EKG'ye müdahale etmediğinden emin olun. Daha sonra, deneğin yatağa sırtüstü yatmasını sağlayın ve altlarındaki alt vücut basınç odasını hareket ettirin.
Bisiklet koltuğuna rahatça oturduklarından emin olun. Odayı kapatmaya yardımcı olmak için öznenin bel ölçüsüne göre kesilmiş özel bir pleksiglas hazne yerleştirin. Ardından, neopren eteği alt gövde negatif basınç odasının etrafına kapatmak için koli bandı kullanın.
Şimdi alt gövde negatif basınç odasını standart bir basınç dönüştürücüsüne bağlayın ve basınç dönüştürücüyü milimetre cıvaya kalibre etmek için boş bir şırınga ve figma manometresi kullanın. Özel yapım mekanik valfi takın ve döngü zamanlayıcısını alt gövde negatif basınç odasına tekrarlayın ve döngü süresini istenen salınımlı alt gövde negatif basınç frekansına ayarlayın. Ardından, mekanik valfe standart bir ev tipi elektrikli süpürge takın.
Ardından, vakuma giden voltajı kontrol etmek için vakumu değişken bir transformatöre takın ve elektrikli süpürgeyi açın. Transformatörü, hedef alt gövde negatif basıncına kadar ayarlayın. Tipik olarak 20 ila 40 milimetre cıva elde edilir.
Arteriyel basıncı ölçmek için, deneğin parmağına non-invaziv bir fotoğrafik arteriyel basınç manşeti takın. Ardından, son kullanma tarihi geçmiş karbondioksiti düzgün bir şekilde ölçmek için, deneğin üzerine bir kızılötesi karbondioksit analizörüne bağlı bir nazal kanül yerleştirin ve sadece burunlarından nefes almalarını söyleyin. Son olarak, şakaktaki orta serebral arterin M1 segmentini tonlamak için iki megahertz nabız dalgalı Doppler probu kullanın.
Sinyali izleyin ve sinyalin spektral yoğunluğunu en üst düzeye çıkarmak için prob açısını, tonlama derinliğini, kazancı ve iletim gücünü değiştirin. Optimum sinyal elde edildikten sonra, Doppler probunu arkası olmayan bir cihazla yerine sabitleyin, böylece gönüllü negatif basınç salınımları ile hareket ederken sinyale hareket artefaktı girmez. Ekipman kurulduktan ve konu hazır olduktan sonra, kanal başına en az 50 hertz elde etmek için arteriyel basıncın, serebral kan akışının, alt vücut negatif basınç odası basıncının ve süresi dolmuş karbondioksitin analogdan dijitale dönüşümünü ayarlayın.
EKG bir kilohertz hertz'de örneklenmelidir. Ardından, vakumu açın ve basıncın yaklaşık 30 milimetre cıvada sabit olduğundan emin olun. Ardından, 33 O yalnız, daha düşük vücut negatif basıncı için tekrar döngüsü zamanlayıcısını 0.03 saniyeye ayarlayın ve optimum sinyal için Doppler probunu kontrol edin.
PR tahminlerine güveni sağlamak için en az 15 döngü için veri toplayın. Şimdi, 0,03 ila 0,08 hertz arasındaki herhangi bir frekans için prosedürü tekrarlayın. Tekrarlama döngüsü zamanlayıcı süresini değiştirerek, proje takibini gerçekleştirebilmek için verilerin işlenmesi gerekir.
Regresyon analizi sinyalleri beş hertz'e düşürülür ve daha sonra sinyali açık hale getirmek için tek bir alt vücut negatif basıncının frekansında bant geçişi filtrelenir. MATLAB'a gidin ve SR'nin orijinal örnekleme hızı olduğu ekranda şimdi gösterilen komutu yazın. Bu, arteriyel basıncı ve serebral kan akışını beş hertz'e düşürür.
Ardından matlab'da projeksiyon takibi regresyon tahminine başlayın. Şimdi ekranda gösterilen komutu girin. Ardından çalışma kimliğini üç harfli bir çalışma kodu olarak girin ve ardından konu kimliği için üç sayısal karakter girin.
Çalışma tarihini yıl, ay, gün biçiminde girin ve örneğin birinci gün için bir tane olmak üzere sayısal ölçüm numarasını girin. Ardından, op press için FP veya arteriyel hat için al girerek arteriyel basınç ölçümünü girin, M-C-A-A-C-A veya PCA gibi damar tipini girin ve ardından sorguya Y veya N girin. Sorgu için doğru MCA ölçümlerine ve Y veya N'ye sahip misiniz?
MCA ölçümleri kaldı mı? Bu görüntü, 0.03 hertz salınımlı alt vücut negatif basıncı sırasında arteriyel basınç ve serebral kan akışının PPR analizinden türetilen serebral otoregülasyon eğrisinin parametrelerini göstermektedir. Bu, basınçtaki statik artışlar ve düşüşler ile kararlı durum serebral kan akışı arasındaki ilişkiden türetilen klasik otoregülasyon eğrisidir.
Değişen basınca rağmen değişmeyen bir akış bölgesi, yani eğimin sıfıra eşit olduğu, artan ve azalan basınçların orantılı serebral kan akışı değişikliklerine neden olduğu bölgelerle sınırlıdır. Bu güç spektrumu, O-L-B-N-P frekansı 0.03 hertz'in altında olduğunda arteriyel basınçtaki dalgalanmaların büyüklüğünü gösterir. Arteriyel basınç spektral gücünde 0.02 ve 0.05 hertz'de iki büyük tepe noktası olduğuna dikkat edin.
Bununla birlikte, LBNP spektral gücünde 0.025 hertz'de yalnızca tek bir tepe noktası vardır. Ayrıca, basınçtaki en büyük dalgalanma 0.05 hertz'dedir ve serebral kan akışı tepkilerinin yorumlanmasını karıştırır. İşte 0,08 ila 0,03 hertz arasındaki salınımlı alt vücut negatif basıncının arteriyel basınç ve serebral kan akışı üzerindeki etkilerine bir örnek.
Arteriyel basınç dalgalanmaları daha yavaş salınım, daha düşük vücut negatif basıncı ile daha büyük hale gelirken, serebral kan akışı dalgalanmaları küçülür. Bu otoregülasyon işlevi, alt panellerde gösterilen PPR analizinin sonuçları ile açıklanmaktadır. Serebral kan akışındaki otoregülatör bölge, daha yavaş salınımlı, daha düşük vücut negatif basıncı ile giderek daha belirgin hale gelir.
Otoregülasyon eğrileri üzerindeki bu bireysel ve ortalama PPR, sempatik blokaj öncesi ve sonrası deneklerde 0.03 hertz salınımlı alt vücut negatif basınç verilerinden türetilmiştir. Sempatik ablukadan sonra dar otomatik düzenleyici bölgenin kaybına dikkat edin. Bu, sempatik blokaj öncesi ve sonrası 0.03 hertz salınımlı alt vücut negatif basınç verilerinden elde edilen PPR parametrelerinin ortalamasıdır.
Sempatik blokaj, oto düzenleme aralığı içindeki serebral otoregülasyon eğrisi üzerinde belirgin bir etkiye sahipti ve eğimi belirgin şekilde arttırdı. Yani basınç değişiklikleri ile daha orantılı serebral kan akımı değişir Bu gelişmeden sonra. Bu teknik, serebrovasküler fizyoloji alanındaki araştırmacıların, insanlarda beyin kan akışının fizyolojik kontrolünün yanı sıra patofizyolojik değişiklikleri keşfetmelerinin yolunu açtı.
Genel Bakış
Bu çalışma, osilatuvar alt vücut negatif basıncı kullanarak arteriyel kan basıncı ve serebral kan akışı dalgalanmaları arasındaki ilişkiyi araştırmaktadır. Bu yöntem, kontrollü basınç dalgalanmalarına izin vererek serebral otoresülasyonun kantitif olarak ölçülmesini sağlar.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Nörobilim
- Fizyoloji
- Kardiyovasküler dinamikler
Arka Plan
- Serebral otoresülasyon, değişen basınçlarda serebral perfüzyonu sürdürme mekanizmasıdır.
- Otoresülasyonun karakterize edilmesi, belirli frekanslarda basınç dalgalanmalarını gerektirir.
- Mevcut yöntemler, otoresülasyonun karmaşıklıklarını yeterince yakalayamayabilir.
- Bu çalışma, projeksiyon peşi sürme regresyonu kullanarak yeni bir yaklaşım benimser.
Çalışmanın Amacı
- Arteriyel basınç ve serebral kan akışı arasındaki ilişkiyi karakterize etmek.
- Kontrollü deneyler için osilatuvar alt vücut negatif basıncı kullanmak.
- Gelişmiş istatistiksel yöntemlerle otoresülasyon eğrisini kantitif olarak belirlemek.
Kullanılan Yöntemler
- Basınç dalgalanmalarını indüklemek için osilatuvar alt vücut negatif basıncın uygulanması.
- Doppler ultrason kullanarak arteriyel basınç ve serebral kan akışının ölçülmesi.
- Veri analizi için projeksiyon peşi sürme regresyonunun kullanılması.
- Doğru okumaları sağlamak için ekipmanın kalibasyonu ve kurulumu.
Ana Sonuçlar
- Alt vücut negatif basıncının daha yavaş osilasyonları, daha büyük arteriyel basınç dalgalanmalarına yol açar.
- Serebral kan akışı dalgalanmaları, daha yavaş osilasyonlarla daha etkili bir şekilde zayıflatılır.
- Bu yöntem, otoresülasyonu anlamak için doğrusal olmayan bir yaklaşım sağlar.
- Sonuçlar, geleneksel yöntemlere kıyasla tekniğin etkinliğini gösterir.
Sonuçlar
- Çalışma, yeni bir yöntem kullanarak serebral otoresülasyonu başarılı bir şekilde karakterize eder.
- Projeksiyon peşi sürme regresyonu, karmaşık fizyolojik ilişkileri analiz etmede avantajlar sunar.
- Gelecek araştırmalar, bu bulgulara dayanarak serebral dinamikleri daha fazla araştırabilir.
Sıkça Sorulan Sorular
Executive Industry Relevance
Understanding cerebral autoregulation is critical for evaluating neurovascular risk in preclinical models of stroke, traumatic brain injury, and neurodegenerative diseases. This method enables non-invasive, frequency-specific assessment of cerebrovascular resilience, supporting target validation in neuroprotective drug development. By quantifying pressure-flow relationships without model assumptions, it enhances predictive confidence in translational studies of vascular tone modulation.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Interrogates therapeutic hypotheses on vascular tone regulation by measuring dynamic cerebral blood flow responses to controlled pressure perturbations.
- Operational Value: Provides quantitative, frequency-resolved outputs that clarify mechanism of action for vasoactive compounds.
- Predictive Value: Enables biological de-risking by identifying compounds that preserve or impair autoregulatory capacity in disease-relevant systems.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Generates standardized arterial pressure and cerebral blood flow fluctuation data suitable for high-reproducibility screening of neurovascular modulators.
- Quantitative Output: Delivers nonlinear gain metrics across frequencies, enabling rank-ordering of compound effects on cerebrovascular buffering capacity.
- Platform Reuse: Supports repeated testing across disease models (e.g., hypertension, diabetes) to assess comorbid impacts on cerebral perfusion stability.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Models impaired autoregulation seen in stroke, TBI, and small vessel disease, enabling preclinical evaluation of restorative therapies.
- Translational Continuity: Bridges in vitro vascular assays to whole-organ physiology by capturing integrated neurovascular coupling under dynamic conditions.
- Risk-Adjusted Advancement: Informs go/no-go decisions by identifying off-target vascular effects that could exacerbate perfusion deficits in vulnerable populations.
Pipeline & Workflow Integration
This method fits within the discovery continuum from target engagement screening to preclinical safety pharmacology, particularly for CNS-active compounds where vascular side effects must be characterized early.
- Discovery Biology: Supports mechanistic de-risking by revealing whether a compound alters the brain’s intrinsic capacity to buffer pressure fluctuations.
- Screening: Enables assay standardization through reproducible oscillatory pressure challenges and Doppler-derived cerebral blood flow metrics.
- Analytics: Projection pursuit regression provides model-free quantification of pressure-flow relationships, uncovering nonlinear thresholds critical for safety margins.
- Translational Research: Aligns with biomarker strategies by linking autoregulatory curve shifts to physiological states like sympathetic tone or endothelial dysfunction.
- Enterprise Reuse: Represents a scalable, non-invasive platform for repeated longitudinal testing in the same subject or cohort across study phases.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity in neurovascular liability assessment by capturing dynamic, frequency-dependent autoregulation.
- Operational Value: Standardizes cerebrovascular challenge testing across sites using controlled pressure oscillations and validated Doppler acquisition.
- Strategic Value: Improves capital efficiency by identifying vascular liabilities early, reducing late-stage attrition due to cerebrovascular adverse events.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of CNS drug candidates based on their impact on cerebral perfusion stability under physiological stress.
Implementation Considerations
- Requires expertise in neurovascular physiology, Doppler ultrasound signal optimization, and time-series analysis.
- Dependent on specialized hardware including lower body negative pressure chamber, calibrated pressure transducers, and 2 MHz transcranial Doppler.
- Necessitates cross-team standardization between physiology, imaging, and data science teams for consistent protocol execution and PPR interpretation.
- Adaptation across model systems may require adjustments to pressure oscillation amplitude and frequency based on species-specific cardiovascular dynamics.
- Practical limitations include subject susceptibility to orthostatic stress and signal noise from movement or respiratory artifacts during prolonged oscillation cycles.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
1:55
Equipment Set Up for Measurement of Oscillatory Lower Body Negative Pressure
5:04
Measurement of Oscillatory Lower Body Negative Pressure
6:15
Projection Pursuit Regression
8:05
Results: Cerebral Autoregulation after Oscillatory Lower Body Negative Pressure and Projection Pursuit Regression
10:58
Conclusion
