Laboratório administração de estimulação nervosa transcutânea Auricular Vagus (taVNS): técnica, Targeting e considerações

Resumo

Uma descrição metodológica da técnica, alvos em potencial e boa administração da estimulação transcutânea do nervo vago auricular (taVNS) sobre o ouvido humano é descrita.

Resumo

Estimulação não-invasivos nervo do vagus (VNS) pode ser administrada através de um romance, emergentes neuromodulatory técnica conhecida como estimulação transcutânea do nervo vago auricular (taVNS). Ao contrário de VNS cervically implantados, taVNS é um método barato e não-cirúrgico usado para modular o sistema vago. taVNS é atraente, pois permite a tradução rápida de pesquisa básica de VNS e serve como um seguro, barato e sistema de neuroestimulação portátil para o futuro tratamento da doença central e periférica. Os antecedentes e justificação do taVNS é descrito, juntamente com considerações elétricas e paramétricas, orelha adequada direcionamento e fixação de eletrodos de estimulação, individuais através de determinação do limiar de percepção (PT) e seguro de dosagem Administração de taVNS.

Introdução

Nervo craniano X, mais conhecido como nervo vago, é um trato de grande nervo que se origina no tronco cerebral do sistema nervoso central e viagens em toda a periferia, visando todos os principais órgãos no tórax e abdômen (Figura 1)¹. Estimulação do nervo do vagus (VNS) envolve a implantação cirúrgica de eletrodos bipolares em torno da filial cervical esquerdo do nervo vago. Pulsos elétricos são entregues ao nervo vago, através de um gerador de pulso implantado (IPG) implantado cirurgicamente no peito². Embora VNS é atualmente aprovado pela FDA-para epilepsia, depressão refratária e obesidade crônica, é um procedimento caro, que exige uma visita hospital e cirurgia. Segurança a longo prazo de VNS está bem estabelecida, e a maioria de intensidade de corrente em conta de considerações da segurança relacionada a efeitos colaterais (voz rouca, dor de garganta), sem efeitos adversos relacionados com estimulação graves nos últimos 25 anos de seu uso clínico³ .

Recentemente, uma forma não-invasiva de VNS conhecida como estimulação transcutânea do nervo vago auricular (taVNS) surgiu⁴. taVNS fornece a estimulação elétrica para o ramo auricular do nervo vago (ABVN), um alvo facilmente acessível que inerva o ouvido humano⁵. Na última década, vários grupos têm demonstrado a segurança e tolerabilidade deste método^6,7,8, incluindo o central e o sistema nervoso periférico efeitos^9,10, e efeitos comportamentais^7,11,12,13 em populações neuropsiquiátricas. taVNS também está sendo explorado em indivíduos como um promissor realçador cognitivo^14,15 e^16,17,funcionamento social¹⁸. TaVNS é tornar-se estabelecido, ele oferece a capacidade para pesquisadores e clínicos traduzir rapidamente a pesquisa VNS promissor que tem sido descrita em várias doenças que vão desde trauma neurológico e psicológico^{19, 20 , 21}, vício²², inflamação²³e zumbido^24,25.

Em princípio, taVNS é metodologicamente semelhante à estimulação elétrica nervosa transcutânea convencionalmente administrado (RTE) usada no tratamento de transtornos de dor músculo-esquelética²⁶. A diferença é que taVNS é entregue aos alvos de orelha anatômicas específicas que são acreditados para ser inervada por ABVN⁵. O campo ainda é determinar metas de estimulação ideal²⁷, embora as duas colocações mais comuns são a parede anterior do canal do ouvido externo (tragus) e a enervação cymba. Estimulação de Souza pode ser realizada, estimulando o lóbulo da orelha, uma área acreditava ter mínima inervação ABVN (Figura 2). Alternativamente, Souza pode ser entregue através de um método de controle passivo em que os eléctrodos estão ligados a sites ativos, mas nenhuma estimulação é entregue. Parâmetros de estimulação podem variar entre grupos, no entanto, de acordo com a literatura, a estimulação é entregue em uma forma pulsátil (largura de pulso: 250 – 500 μs, frequência: 10 a 25 Hz) e entregue em uma constante individualizada atual (< 5 mA). Estimulação atual varia de acordo com o protocolo experimental e individual, com muitos grupos, explorando diferentes intensidades em função de um limiar de percepção individual (PT). O PT é definido como a quantidade mínima de corrente, provocando uma sensação percebida no local de destino e é geralmente determinada através de estimativa paramétrica por software personalizado teste sequencial (PEST) descrito neste relatório.

taVNS é uma técnica segura que pode ser administrada no laboratório ou no ambiente clínico. Efeitos colaterais da taVNS são mínimos, com irritação da pele ou vermelhidão, sendo o efeito colateral mais comum. A maioria dos estudos taVNS explorar estimulação do ouvido esquerdo, como acredita-se ser mais seguro, embora os dados em um grande ensaio (Barros et al. 2018) revelam que a estimulação do lado direito não tem nenhum aumento no risco de eventos adversos. Devido à riqueza da literatura na estimulação unilateral esquerda, ilustramos a afinação típica taVNS para estudos laboratoriais investigando o uso de taVNS lado esquerdo como uma intervenção.

Protocolo

Este protocolo experimental ilustra um típico taVNS set-up para uso em um laboratório ou clínica de configuração em que temos como alvo, estimulando a parede anterior do canal auditivo (tragus) em uma postura em decúbito dorsal, com um diâmetro de 8mm redondo eletrodo de metal. Esses métodos podem ser imitados para sites alternativos de tratamento ativo simplesmente mudando a posição do eletrodo para a concha cymba. Todos os métodos e procedimentos foram IRB aprovado pelo humano pesquisa proteção programa (HRPP) no City College de Nova York.

1. materiais

1. Certifique-se de todos os materiais necessários para administrar o taVNS são preparados (Figura 3). O estimulador de taVNS pode ser qualquer uma bateria conduzido dispositivo que atende normas de segurança locais ou alimentado de uma tomada elétrica convencional com mecanismos internos de segurança que impedem os impulsos eléctricos não intencionais. Um constante estimulador de corrente (corrente controlada) com uma potência máxima de 5 mA é necessária.
2. Para taVNS, eletrodos de estimulação do uso feitos de um metal condutor redondo (ouro de estanho, Ag/AgCl,) combinado com um meio condutor como eletrólito gel ou pasta condutora (ver tabela de materiais). Como alternativa, use eletrodos condutivos feitos com os elétrodos do carbono condutor flexível e gel condutor que pode ou não ser adesivo. Nunca coloque eletrodos diretamente sobre a pele sem um meio condutor, pois isso pode representar risco desnecessário ao participante e pode causar desconforto ou dor.
3. Computador de uso com o software do certificado (ver Tabela de materiais) que é programado e utilizado para controlar o estimulador e iniciar a estimulação com parâmetros específicos. Esses parâmetros incluem a intensidade de corrente (mA), frequência (Hz), largura de pulso (μs), ciclo de trabalho (On/Off tempo, s), sessão duração (min).
4. Use almofadas de preparação de álcool (álcool isopropílico a 70%) para preparar a superfície da pele antes de fixar eletrodos no ouvido. Isso remove a superfície óleos da superfície da pele e reduz a resistência da pele, garantindo estimulação é entregue em níveis de energia segura.

2. direcionamento da orelha e preparação de pele

1. Use os seguintes critérios de inclusão geral para a realização de taVNS no cenário de pesquisa: idade 18-70, nenhuma dor facial ou ouvido, sem trauma recente do ouvido, sem implantes metálicos, incluindo marca-passos, não está grávidos.
2. Nos experimentos envolvendo participantes saudáveis em um ambiente de laboratório, use os seguintes critérios de exclusão: história pessoal ou familiar de convulsão, humor ou transtornos cardiovasculares, dependência de álcool ou uso recente de drogas ilícitas, em qualquer farmacológica agentes que aumentam o risco de convulsão.
3. O participante em uma confortável cama ou cadeira numa posição relaxada em decúbito dorsal ou outros com elevada de pernas e cabeça com suporte do assento.
4. Inspecione a orelha esquerda do participante. Certifique-se de nenhuma joia é anexada e toda maquiagem e loção são removidos. Confirme que não há nenhuma contra-indicações relacionadas com pele no local da estimulação, incluindo queimaduras solares, cortes, lesões, feridas abertas.
5. Encontre o alvo de estimulação, pérgula pela parede anterior do canal do ouvido externo externamente, encontrando ao tragus. Estimulação será entregue à parte do canal auditivo diretamente para trás ao tragus (Figura 4).
6. Use uma almofada da preparação do álcool a esfregue suavemente o local de destino, tanto interna como externamente, para diminuir a resistência da pele e aumentar a condutância.

3. eletrodo preparação e colocação

1. Se utilizar eléctrodos não-descartáveis, inspecione visualmente os eletrodos para garantir limpo, livre de corrosão de superfície é exposta. Certifique-se de que os eletrodos são desinfetados para evitar a propagação de bactérias entre os sujeitos. Isso pode ser feito usando álcool ou esterilização toalhetes para limpar os eletrodos. Se usando eletrodos descartáveis, pule para a etapa 3.2.
2. Espalhe uma camada fina de pasta condutora para a superfície do eletrodo uniformemente. Isto irá distribuir eletricidade para o site de estimulação. Para 8 mm diâmetro redondo eletrodo, uma quantidade do tamanho de ervilha de colar é suficiente. Espalhar a pasta usando um aplicador de madeira estreito para formar uma camada fina < 1 mm de colar em ambos os eletrodos.
3. Ligar cabos de eletrodo para o dispositivo de estimulação, enquanto o dispositivo está desligado e verificar a polaridade dos eletrodos (eletrodo vermelho/positivo: ânodo, eletrodo preto/negativo: cátodo). Este é um detalhe importante como direcionamento é polaridade específica — o ânodo (vermelho/positivo terminal) é o eletrodo colocado dentro do canal auditivo e direcionamento da parede anterior do canal do ouvido externo. O cátodo (terminal preto/negativo) fica do lado de fora do ouvido grudado ao tragus. Para a estimulação de Souza, o ânodo é colocado no lado anterior da orelha.
4. Clip do eléctrodo de Primavera para o tragus com o contato com a parede anterior do canal do ouvido externo e do cátodo, entrar em contato com a parte anterior ao tragus ânodo.
   Nota: Se a estimulação de Souza, clip do eléctrodo no lóbulo da orelha (controlo activo). Como alternativa, estimulação de Souza pode ser entregues ao anexar clipes de estimulação ao sítio ativo e não fornecer nenhuma corrente elétrica (controle passivo).
5. Como temas vão sentir a pressão dos eletrodos recortado para sua orelha, certifique-se desta que pressão não é desconfortável ou interrupções de fluxo sanguíneo regional como demonstrado pela pele branca pálida no site de clip ou dor física que sentia pelo assunto. Após este ponto, determine o limiar perceptual (PT), que será descrito na próxima etapa processual.

4. determinação do limiar de percepção (PT)

Nota: Limiar de percepção é um valor crítico, usado para determinar o poder de estimulação taVNS. Esse valor é definido como a quantidade mínima de eletricidade necessária para perceber a estimulação elétrica na pele descrita como uma sensação de formigamento ou aguda.

1. Determine o PT usando uma simples Step-up e step-down paramétrica pesquisa binária. Primeiro ligue o estimulador e defina a saída 3 mA. Entregar um 1 trem segundo de estimulação taVNS na largura de pulso desejado (normalmente 250 – 500 μs) e frequência (25 Hz, pode variar com base na aplicação).
2. Peça o assunto se eles sentiram a estimulação. Sensação é geralmente relatada como um "cócegas" ou sensação de "picada".
   1. Se sim, diminuir a intensidade de estimulação em 50% e repita o passo 4.2. Se não, aumentar a intensidade de estimulação em 50% e repita o passo 4.2.
3. Repita o processo descrito em respostas passo 4.2 até gravando um mínimo de 4 "Sim", em que o 4^th Sim resposta deve vir após um n. º A intensidade do PT (em mA) será o valor em que o assunto diz sua quarta Sim resposta a.
4. Uso o achado de limiar de exemplo PT está listado na tabela 1 , para auxiliar na determinação de PT.

5. entrega de estimulação

1. Uma vez que o assunto é de eletrodos de estimulação confortável com anexado corretamente para o destino desejado, e o limiar perceptual determinado na largura de pulso desejado e frequência, começar a estimulação.
2. Uso um computador executando um pulso gerando GUI (por exemplo, stimDesigner, freeware, incluído com este manuscrito) conectado a uma unidade de aquisição de dados (DAQ) para conduzir o sistema de estimulação. O software deve saída TTL pulsos como configurações programáveis (Figura 5). Os pulsos TTL serão enviados através de um cabo BNC para o porto de "gatilho em" estimulador. Esta interface de software/estimulador de interface permite a modulação de frequência, ciclo de dever (ligar/desligar tempo) e duração da sessão (Figura 6). O GUI usado é anexado como um recurso livre, open-source com este manuscrito.
   1. Certifique-se de que a estimulação é entregues no Super limiares, tais como 200% de PT^8,9. Por exemplo, se o PT estava determinado a ser 0,8 mA, estimulação serão entregues em 1,6 mA.
   2. Certifique-se de que as orientações para ciclos sejam seguidas ao conduzir sessões de estimulação há muito tempo. Ciclos típicos têm 30 a 60 s "em" períodos e 60 a 120 s "fora" períodos, ou ciclos de 20 – 50%.
   3. Varia o comprimento da sessão de estimulação (tempo total). Estudos sugerem que as sessões de estimulação de 30-60 min em um ciclo de 25% de imposto é seguro e livre de quaisquer efeitos secundários agudos ou eventos adversos. Estas sessões podem ser repetidas com 12-24 h entre as sessões com segurança.
      Nota: taVNS segurança desconhece-se por longos períodos de sessões de estimulação, maior porcentagem de ciclos (> 40%), acelerada de paradigmas e maiores doses de corrente de estimulação.

6. depois de taVNS

1. Quando a estimulação é concluída, grave dados objetivos sobre o desconforto de estimulação e os efeitos colaterais. Embora taVNS, como VNS implantável, limitou as preocupações de segurança^8,28, sensação de monitorar e gravar, desconforto e quaisquer efeitos adversos em uma classificação de 0-10-²⁹.
2. Retire os eletrodos de estimulação do ouvido e limpa residual pasta condutora da orelha do sujeito usando uma almofada da preparação do álcool.
3. Use álcool para limpar e desinfectar o eletrodo de estimulação imediatamente depois de retirar da orelha do sujeito.
4. Inspecionar o ouvido para vermelhidão ou irritação no local da estimulação e gravar quaisquer observações.

Resultados

Quando é realizada a preparação adequada da pele, limiares de percepção são inversamente correlacionados com largura de pulso de estimulação. À medida que aumenta a largura de pulso, o limiar de percepção diminui (Figura 7). Inicial de estudos por este grupo explorar o efeito da largura de pulso na PT em indivíduos saudáveis (critérios de inclusão/exclusão listados acima), determinou que o total combinado (n = 15, 7 feminino, média de idade 26,5 ± 4,99) PT em 100 μs = 3,92 ± 1,1 mA; 200 μs = 2.24 ± 0,74 mA; 500 μs = 1,24 ± 0,41 mA. Estes limiares que sugerem um estimulador de corrente constante com capacidade de entrega de até 5 mA de corrente é necessária para a estimulação de 500 μs parâmetros de largura de pulso, e um mínimo de um estimulador de 10mA é necessário para as larguras de pulso inferiores (tabela 2). Ajuste fino da corrente é necessária, com incrementos de 0,1 mA são necessários para a estimulação precisa.

Entrega de estimulação em 200% PT é tolerável e relativamente livre, como demonstrado pela dor numérica (NRS) escalas de avaliação de dor escalas de^9,30. A escala NRS é um sistema de classificação para a dor de 0-10, em que os indivíduos relatam dor ou desconforto²⁹. Taxa de estimulação tanto ativo e Sham similarmente níveis baixos de dor (NRS < 3 para todas as larguras de pulso de estimulação. Mais especificamente, a largura de pulso biologicamente ativos de 500 μs entregada a 25 Hz é relatada em média a taxa como ativo = 1,98 ± 0,83, Sham = 2.17 ± 1,27 (n = 25, 9 feminino, quer dizer idade 25.16 ± 4,16 anos) (tabela 3). Avaliações de dor para os outros parâmetros são não dói mais do que o parâmetro de 25 Hz e os detalhes podem ser encontrados em um de trabalho prévio^{30 dos grupos}.

Segurança e tolerabilidade de 30 min para sessões de 1 hora em um ciclo de trabalho de 20 – 50% foi amplamente relatada na literatura com alguns estudos, entregando várias sessões na mesmo dia propagação 12 – 15 h separados^12,31. Sem eventos adversos graves foram relatados a partir 60 indivíduos participando em várias séries de experimentos com indivíduos participantes de 1 para 8 repetidas visitas propagação um mínimo de 24 horas de diferença.

taVNS, quando administrado como relatado neste manuscrito, foi demonstrado que modulam o sistema nervoso autônomo, induzir mudanças de actividade cerebral funcional medida pelo fMRI bold (realce) e pilotado para tratar distúrbios neuropsiquiátricos e ajudar na reabilitação .

Figura 1 : As projeções eferentes do nervo vago e secção transversal. (A) projeções eferentes do nervo vago alvo todos os órgãos principais do corpo com todo o efeitos corporais na função (B) secção do nervo vago, demonstrando o interior anatomia do nervo como uma série de feixes de nervos todos contidos dentro de uma via principal. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2 : taVNS orelha alvos. Visando a ABVN pode ser realizado por estimular a parede anterior do canal do ouvido externo, pérgula, nomeadamente através do tragus (A1), ou cornetos cymba (A2). Estimulação de Souza é administrada para o lóbulo da orelha (S). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3 : Componentes-chave. O mínimo exigido de componentes para uma boa administração de taVNS são as seguintes (A) eletrodos de estimulação do ouvido, gel condutor (B) e álcool prep almofadas, (C) computador capaz de enviar e receber pulsos TTL para um (D ) estimulador de corrente constante para acionar a estimulação. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4 : Exemplo de configuração. Esta foto mostra uma taVNS de recebimento individual do ouvido esquerdo enquanto em posição para se submeter a uma paradigma experimental. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5 : Screenshot da interface gráfica usada para estimulação. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6 : Manipulações de forma de onda de estimulação elétrica. Corrente elétrica direta de onda quadrada pode ser entregue em vários parâmetros. Esta figura demonstra propriedades-chave da forma de onda que podem ser alterados para alcançar efeitos biológicos desejados. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 7 : Valores de limiar perceptual a aumentar as larguras de pulso. À medida que aumenta a largura de pulso, diminui o limiar perceptual (PT). Indivíduos mais saudáveis terá um PT dentro de 2 desvios padrões (DP) destes valores médios. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Tabela 1: exemplo de como determinar o limiar Perceptual (PT). Esta tabela mostra uma sequência de exemplo de Sim/não respostas usadas para determinar parametricamente PT.

Tabela 2: níveis de corrente de estimulação. Valores de estimulação corrente em mA (200% PT) para cada largura de pulso (n = 15).

Tabela 3: dor valores para parâmetros de estimulação sugerido, corrente de estimulação e PT. Valores de estimulação corrente em mA (200% PT) para cada largura de pulso (n = 25).

Arquivo suplementar: Freeware GUI usado neste protocolo. Clique aqui para baixar este arquivo.

Discussão

Como em todas as modalidades de romance, todas as etapas descritas são fundamentais para a administração segura de taVNS. De preocupação final é assunto segurança, que inclui não só atenuantes riscos antes de taVNS via triagem adequada, mas também monitorar assuntos durante a estimulação para desconforto, dor ou efeitos adversos. Aqui estão os três consideração mais importante para a administração taVNS. Triagem para taVNS contra-indicações - as contra-indicações são as seguintes: qualquer história atual ou passada de distúrbios cardiovasculares, dor facial ou ouvido, trauma recente de orelha, implantes de metal acima do nível do pescoço. Para preparação de assunto adequada da pele, remover qualquer superfície óleos, sujeira ou maquiagem da superfície da pele com álcool ajuda com condutividade dos eletrodos, reduz a tensão de estimulação necessária para conduzir o estimulador e, finalmente, resulta de uma forma mais sessão de estimulação tolerável e segura. É incentivado a usar um estimulador e eletrodos reunião de diretrizes de baixa saída transcraniana elétrica estimulação (LOTES)³². Cleusa define diretrizes e padrões da indústria para estimuladores elétricos que são construídos para a estimulação da cabeça e no pescoço e é incentivado para grupos ler este documento antes de construir seus próprios sistemas. Recomenda-se usar qualquer um FDA-desmarcada plug-in estimulador (ver Tabela de materiais), ou uma baixa tensão (< 50 V), a pilhas, estimulador de corrente constante com medidas de segurança adequadas internas para evitar a entrega excedente não intencional de corrente para o site de estimulação. Certifique-se que os eletrodos são fabricados e montados para uso específico em taVNS. Certifique-se de que a produção atual e orientações de engenharia são seguidas como referência se forem utilizados sistemas personalizados feitos de laboratório.

Uma consideração para taVNS é para garantir que a saída de tensão do stimulator do atual constante pode superar a resistência da pele e fornecer a corrente necessária para a estimulação. A lei de Ohm (V = IR) demonstra a relação entre a corrente (I) e resistência (R) da pele. É recomendado um mínimo de um estimulador de mesa 20 V para evitar um sistema de fraca potência. Calor gerado a partir do couro cabeludo ou ambiente pode degradar a pasta condutora. Se isso ocorrer, recomenda-se parar a estimulação e re-Prepare a pele e colar eletrodos com o novo condutoras.

Uma limitação do taVNS é o espaço do parâmetro vasto. Desconhece-se quanto ao que é mais importante — largura de pulso ou frequência. Há uma falta de dados em ensaios de taVNS recentes que responder a tais perguntas. Os diversos efeitos comportamentais são derivados de uma variedade de larguras de pulso, frequências e estimulação correntes^{13,33,34,35,36,37},^{, 38,39}.

Neste momento, sugere-se que o 500 µs largura para ser o mais biologicamente ativo⁹de pulso. Com relação a frequência, foi demonstrado que a 25 Hz é uma frequência eficaz, embora atual investigações ideal como frequências mais elevadas (> 25 Hz), estimulação bilateral (orelhas esquerdas e direita) e paradigmas de ruptura experimentais são sendo realizadas. A exploração de diferentes parâmetros de estimulação, estimulação alternativa sites e otimização do ciclo de dever de estudos são necessários para avançar e aperfeiçoar o método de taVNS.

taVNS é uma alternativa não-invasivo promissor para VNS convencional. taVNS fornece um baixo custo (<$ 5.000 na configuração experimental da demonstrada, custo fortemente dependente do tipo de estimulador usado) e método simples que pode ser usado para traduzir os resultados positivos em modelos animais, explorando o uso de VNS em uma variedade de distúrbios, canaliza modulam o sistema nervoso autônomo e potencialmente miniaturizados e otimizado para neuromodulação em casa para o tratamento de distúrbios neuropsiquiátricos e outros.

As aplicações potenciais e possíveis futuras de taVNS são vastas. taVNS pode servir como um tratamento adjuvante ou standalone promissor para distúrbios neuropsiquiátricos, tais como depressão e epilepsia, taVNS-emparelhado reabilitação treinamento para restaurar ou acelerar a aprendizagem de um comportamento⁴⁰, diminuem a resposta inflamatória ^{41 , 42}e potencialmente pode ser usado para melhorar o desempenho e função autonómica^8,10.

Materiais

Name	Company	Catalog Number	Comments
70% Isopropyl Alcohol Wipes	Any	N/A	Any alcohol preparation pads used for skin in appropriate.
Constant Current Stimulator (Triggerable)	Soterix Medical	N/A	Stimulator manufactured for custom use by Soterix Medical
Disposable Conductive Electrodes	Custom Built	N/A	Stimulation electrodes are custom built at the City College Neural Engineering Lab (Badran/Bikson)
Matlab Software w/ Stimulation GUI	MathWorks	N/A	MATLAB used for programing pulse pattern
Ten20 Conductive Paste	Weaver and Company	N/A	Conductive paste used for administration of stimulation