经皮耳穴神经刺激实验室管理 (tavns): 技术、定位和考虑

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Neuroscience
 

Summary

方法描述的技术, 潜在的目标, 和适当的给药经皮耳迷走神经刺激 (tavns) 在人的耳朵上描述。

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Badran, B. W., Yu, A. B., Adair, D., Mappin, G., DeVries, W. H., Jenkins, D. D., George, M. S., Bikson, M. Laboratory Administration of Transcutaneous Auricular Vagus Nerve Stimulation (taVNS): Technique, Targeting, and Considerations. J. Vis. Exp. (143), e58984, doi:10.3791/58984 (2019).

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Abstract

无创迷走神经刺激 (vns) 可通过一种新的、新兴的神经调节技术进行, 称为经皮耳迷走神经刺激 (tavns)。与子宫颈植入的 vns 不同, tavns 是一种廉价的非手术方法, 用于调节迷迷神经系统。tavns 很有吸引力, 因为它允许快速翻译基本的 vns 研究, 并作为一个安全, 廉价, 便携式神经刺激系统, 为未来治疗中枢和周围疾病。介绍了 tavns 的背景和基本原理, 以及电气和参数方面的考虑、适当的耳朵定位和刺激电极的附件、通过确定感知阈值 (pt) 进行单独剂量和安全tavns 的管理。

Introduction

颅神经 x, 俗称迷走神经, 是一种大的神经道, 起源于中枢神经系统的脑干, 并在整个周围传播, 针对胸部和腹部的每一个主要器官 (图 1) 1.迷走神经刺激 (vns) 包括迷走神经左颈椎分支周围双相电极的手术植入。电脉冲通过植入的脉冲发生器 (ipg) 通过植入的脉冲发生器 (ipg) 传递到迷走神经, 并将其植入胸部 2.尽管 vns 目前被 fda 批准用于癫痫、难治性抑郁症和慢性肥胖, 但这是一个昂贵的手术, 需要到医院就诊和手术。vns 的长期安全性是公认的, 大多数安全考虑因素考虑到目前的强度相关的副作用 (嘶哑的声音, 喉痛), 而没有严重的刺激相关的不利影响, 在过去25年的临床使用3.

最近, 一种非侵入性形式的 vns 被称为经皮耳迷走神经刺激 (tavns) 已经出现4。tavns 向迷走神经 (abvn) 的耳穴提供电刺激, 迷走神经是一个容易获得的目标, 会使人耳紧张5。在过去的十年里, 有几个小组已经证明了这种方法6,7,8的安全性和耐受性, 包括中枢神经系统和周围神经系统的影响9,10, 和神经精神病人群的行为影响 7,11,12,13 。tavns 也正在探索个人作为认知14,15和社会功能16,17,18有希望的增强剂。随着 tavns 的建立, 它为研究人员和临床医生提供了快速翻译有希望的 vns 研究的能力, 这些研究被描述在各种疾病中, 从神经和心理创伤19,20,21日, 成瘾2 2, 炎症23, 耳鸣24,25。

原则上, tavns 在方法上类似于常规给药的经皮神经电刺激 (tens), 用于治疗肌肉骨骼疼痛疾病26。不同的是, tavns 被传递到特定的解剖耳朵目标, 被认为是神经支配的 abvn5。该领域仍在确定最佳刺激目标27, 虽然两个最常见的位置是外耳管 (特拉古斯) 和。sham 刺激可以通过刺激耳朵的耳垂来进行, 这一区域被认为具有最小的 abvn 神经支配 (图 2)?;蛘? 假的可以通过被动控制方法传递, 在这种方法中, 电极连接到主动站点, 但不会提供刺激。刺激参数可能因群体而异, 但根据文献, 刺激是以脉动的方式传递的 (脉冲宽度: 250–500μs, 频率: 10–25 hz), 并以个性化的恒流 (& lt;5 ma) 提供。激励电流因个体和实验方案的不同而不同, 许多群体探索不同的强度作为个体感知阈值 (pt) 的函数。pt 被定义为在目标站点引起感知感觉的最小电流量, 通常通过本报告中描述的自定义顺序测试 (peest) 软件通过参数估计来确定。

tavns 是一种安全的技术, 可在实验室或临床环境中使用。tavns 的副作用是最小的, 皮肤刺激或发红是最常见的副作用。大多数 tavns 研究探讨了对左耳的刺激, 因为它被认为更安全, 尽管大型试验的数据 (badran 等人, 2018年) 显示, 右侧刺激不会增加不良事件的风险。由于在单边-左方刺激的大量文献, 我们将说明典型的 tavns 设置为实验室研究调查使用的左侧泰瓦ns 作为干预措施。

Protocol

这个实验方案说明了一个典型的 tavns 设置, 用于实验室或临床设置, 我们的目标是刺激前壁的听觉管 (悲剧) 在仰面的姿势与8毫米直径的圆形金属电极。这些方法可以通过简单地将电极位置更改为 cymba concha 来模拟替代活性治疗部位。所有方法和程序都得到了纽约城市学院人类研究?;し桨傅呐?。

1. 材料

  1. 确保准备好管理 tavns 所需的所有材料 (图 3)。tavns 刺激器可以是符合当地安全法规的电池驱动设备, 也可以是由传统电源插座供电, 内置安全机制, 可防止意外的电涌。需要一个最大输出为 5 ma 的恒流 (电流控制) 刺激器。
  2. 对于 tavns, 使用由圆形导电金属 (锡、ag/agcl、gold) 制成的刺激电极, 并与电解质凝胶或导电浆料等导电介质 (见材料表) 结合使用?;蛘? 使用由柔性导电碳电极和导电凝胶制成的导电电极, 这些电极可能是粘合剂, 也可能不是粘合剂。在没有导电介质的情况下, 切勿将电极直接放置在皮肤上, 因为这可能会对参与者造成不必要的风险, 并可能导致不适或疼痛。
  3. 使用计算机运行脚本软件 (见材料表), 用于控制刺激器, 并使用特定参数启动刺激。这些参数包括电流强度 (ma)、脉冲宽度 (μs)、频率 (hz)、占空比 (on/off 时间)、会话持续时间 (分钟)。
  4. 在将电极连接到耳朵之前, 请使用酒精制备垫 (70% 异丙醇) 制备皮肤表面。这可以去除皮肤表面的表面油, 降低皮肤的抵抗力, 确保在安全的能量水平下提供刺激。

2. 耳部靶向和皮肤准备

  1. 在研究环境中使用以下一般包含标准进行 tavns: 18-70岁, 没有面部或耳痛, 最近没有耳朵外伤, 没有金属植入物, 包括心脏起搏器, 没有怀孕。
  2. 在实验室环境中涉及健康参与者的实验中, 使用以下排除标准: 癫痫发作、情绪或心血管疾病的个人或家族史、酒精依赖或最近非法使用药物, 对任何药理学都有影响被认为会增加癫痫发作风险的药物。
  3. 让参与者坐在舒适的床上或椅子上, 仰视或其他放松的姿势, 腿高, 头部有支撑。
  4. 检查参与者的左耳。确保没有珠宝, 所有化妆品和化妆水都被删除。确认在刺激部位没有与皮肤有关的禁忌症, 包括晒伤、割伤、病变、开放性疮。
  5. 通过寻找, 找出外耳道前壁所标记的刺激靶点。刺激将被传递到耳道的直接后面的部分 (图 4)。
  6. 使用酒精准备垫轻轻擦洗目标部位, 无论是内部还是外部, 以减少皮肤阻力和增加电导率。

3. 电极的准备和放置

  1. 如果使用非一次性电极, 请目视检查电极, 以确保清洁、无腐蚀的表面暴露在外。确保对电极进行消毒, 以防止细菌在研究对象之间传播。这可以用酒精或灭菌湿巾擦洗电极。如果使用一次性电极, 请跳到步骤3.2。
  2. 将一层薄薄的导电浆料均匀地涂在电极表面。这将把电力分配给刺激点。对于直径为8毫米的圆形电极, 豌豆大小的糊状量就足够了。用一个狭窄的木制涂抹器将浆糊铺开, 形成一层薄薄的糊状物 & lt;1 mm 的浆料在两个电极上。
  3. 关闭刺激装置时, 将电极电缆连接到刺激装置, 并验证电极的极性 (红色正极: 阳极、黑/负极: 阴极)。这是一个重要的细节, 因为靶向是极性特定的--阳极 (红色/阳性端子) 是放置在耳道内并针对外耳道前壁的电极。阴极 (黑色/负极) 位于附着在悲剧上的耳朵外部。为了进行假刺激, 阳极被放置在耳朵的前侧。
  4. 将弹簧电极夹在耳膜上, 阳极与外耳道前壁接触, 阴极与耳后部前部接触。
    请注意:如果进行虚假刺激, 将电极夹在耳垂上 (主动控制)?;蛘? 可以通过将刺激片段附加到有源站点和不提供电流 (被动控制) 来提供虚假刺激。
  5. 当被试的人会感觉到电极的压力被夹在耳朵上时, 确保这种压力不会不舒服, 也不会对区域血液流动造成干扰, 就像夹子部位的苍白白色皮肤或被试感觉到的身体疼痛所显示的那样。在这一点之后, 确定感知阈值 (pt), 这将在下一个过程步骤中描述。

4. 感知阈值的测定 (pt)

请注意:感知阈值是用来确定 tavns 刺激的威力的一个临界值。这个值被定义为感知皮肤上的电刺激所需的最小电量, 被描述为刺痛感或刺痛感。

  1. 使用简单的升压和降压二进制参数搜索确定 pt。首先打开刺激器, 并将输出设置为 3 ma。以所需的脉冲宽度 (通常为 250–500μs) 和频率 (25 hz, 可根据应用情况而变化) 提供1秒的 tavns 刺激。
  2. 问问主题, 他们是否感受到了刺激。感觉通常被报道为一种 "发痒" 或 "刺" 的感觉。
    1. 如果是, 请将刺激强度降低 50%, 然后重复步骤4.2。如果为 no, 则增加50% 的刺激强度, 并重复步骤4.2。
  3. 重复步骤4.2 中描述的过程, 直到记录至少 4个 "yes" 响应, 其中4个yes 响应必须在 no 之后。pt 的强度 (以 ma 为) 将是主体表示其第四次 yes 响应的值。
  4. 使用表 1中列出的 pt 阈值查找示例来帮助确定 pt。

5. 提供刺激

  1. 一旦主体舒适的刺激电极与适当地连接到所需的目标, 并在所需的脉冲宽度和频率确定的感知阈值, 开始刺激。
  2. 使用计算机运行脉冲生成 gui (例如, 固定设计器, 包括在本手稿中的免费软件) 连接到数据采集单元 (daq) 来驱动刺激系统。软件应将 ttl 脉冲输出为可编程设置 (图 5)。ttl 脉冲将通过 bnc 电缆发送到刺激器 "触发" 端口。此接口软件/刺激器接口允许频率、占空比 (关闭时间) 和会话持续时间的调制 (图 6)。使用的 gui 是作为一个免费的, 开源资源附加与这份手稿。
    1. 确保在超阈值水平上提供刺激, 例如 pt8,9的200%。例如, 如果 pt 被确定为 0.8 ma, 则将以 1.6 ma 的速度提供刺激。
    2. 确保在进行长时间的激励过程时遵循工作周期的指导原则。典型的占空比有 30-60秒 "在" 周期和60-120秒的 "关闭" 周期, 或20-50% 的占空比。
    3. 改变刺激时段的长度 (总时间)。研究表明, 在25% 的占空比30-60 刺激疗程是安全的, 没有任何急性副作用或不良事件。这些会话可以在两次会议之间安全地重复12-24小时。
      注:在较长的刺激期、较大的占空比百分比 (gt;40%)、加速范式和更高的刺激电流剂量中, tavns 的安全性尚不清楚。

6. tavns 后

  1. 当刺激完成后, 记录有关刺激不适和副作用的客观数据。虽然 tavns, 如植入 vns, 有有限的安全考虑 8,28, 监测和记录的感觉, 不适, 和任何不良事件的评级从 0–1029.
  2. 从耳朵上取下刺激电极, 并使用酒精准备垫清洁被试耳朵上残留的导电浆料。
  3. 从受试者的耳朵中取出刺激电极后, 立即使用酒精对其进行清洁和消毒。
  4. 检查耳朵在刺激部位是否发红或刺激, 并记录任何观察结果。

Representative Results

当进行适当的皮肤准备时, 感知阈值与刺激脉冲宽度成反比。随着脉冲宽度的增加, 感知阈值降低 (图 7)。本组初步研究探讨了脉冲宽度对健康个体 pt 的影响 (符合上述包容性标准), 确定了总的 (n=15, 7名女性, 平均年龄 26.5±4.99) pt 在 100μs = 3.92±1.1 ma;200μs = 2.24±0.74 ma;500μs = 1.24±0.41 ma。这些阈值表明, 刺激500μs 脉冲宽度参数需要具有高达 5 ma 电流的恒定电流刺激器, 较低的脉冲宽度至少需要10ma 刺激器 (表 2)。需要对电流进行微调, 精确的刺激需要以 0.1 ma 为增量。

在 200% pt 下提供刺激是可以忍受的, 相对无疼痛, 疼痛数值分级表 (nrs) 等级为9,30 就证明了这一点。nrs 量表是一个0-10 疼痛的评级系统, 个人在这个系统中报告疼痛或不适29。所有刺激脉冲宽度的活动和沙姆刺激率都类似于低疼痛水平 (nrs & lt;3。更具体地说, 在 25 hz 下提供的500μs 的生物活性脉冲宽度平均报告为活跃 = 1.88±0.83, sham = 2.17±1.27 (nts25, 女性, 平均年龄25.16±4.16 岁) (表 3)。其他参数的疼痛等级没有比25赫兹参数更痛苦, 细节可以在小组之前的工作30中找到。

在20-50% 的占空比中, 在20-50% 的占空比中30分钟至1小时的安全和耐受性已被广泛报道, 一些研究在同一天提供多个疗程, 除12~15小时 12,31级分。有60名研究对象参加了几个系列的实验, 参加了1至8次反复访问的对象, 他们没有报告发生严重的不良事件, 间隔至少为24小时。

tavns, 如本手稿中所报道的那样, 已被证明可以调节自主神经系统, 诱导由 fmri bold 测量的大脑功能活动变化, 并进行试点治疗神经精神障碍和帮助康复.

Figure 1
图 1: 阴道神经传递投影和横截面.(a) 迷走神经的传入投射针对身体上每一个主要器官, 对身体功能有广泛的影响 (b) 迷走神经的横截面, 显示神经的内部解剖是一系列的神经束, 所有这些都包含在内在一个主要的路径。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 2
图 2: tavns 耳目标.针对 abvn 可以通过刺激外耳道的前壁来实现, 其标记明显为 (a1) 或 (a2)。向耳垂 (s) 进行浅层刺激。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 3
图 3: 关键组件.适当管理 tavns 所需的最低成分是以下 (a)耳刺激电极、(b) 导电凝胶和酒精准备垫、(c) 能够将 ttl 脉冲发送和接收到 a (d ) 的计算机。) 恒流刺激器触发刺激。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 4
图 4: 示例设置。这张照片显示的是一个人在接受实验范式时接受左耳的 tavns。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 5
图 5: 用于刺激的 gui 的屏幕截图.请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 6
图 6: 电刺激波形操纵。直接方波电流可以在各种参数下传递。此图演示了可以更改的波形的关键属性, 以实现所需的生物效果。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 7
图 7: 在增加脉冲宽度时的感知阈值。随着脉冲宽度的增加, 感知阈值 (pt) 减小。大多数健康的个人将有一个 pt 在2个标准偏差 (sd) 这些平均值。请点击这里查看此图的较大版本.

Table 1
表 1: 如何确定感知阈值 (pt) 的示例.此表显示了 yes/no 响应的示例序列, 用于参数化确定 pt。

Table 2
表 2: 刺激电流水平.每个脉冲宽度 (ma (200% pt) 的刺激电流值 (n\ 15)。

Table 3
表 3: 建议的刺激参数的 pt、激励电流和疼痛值.每个脉冲宽度 (n\ 25) 的刺激电流值 (ma (200% pt))。

Supplemental File Figure
补充文件: 本协议中使用的免费软件 gui.请点击此处下载此文件.

Discussion

与所有新的模式一样, 所有描述的步骤对于 tavns 的安全管理都至关重要。最终关注的是主体安全, 这不仅包括通过适当的筛查来减轻 tavns 之前的风险, 还包括在刺激过程中监测主体是否不适、疼痛或不良事件。以下是管理 tavns 的三个最重要的考虑因素。对 tavns 禁忌症的筛查-禁忌症如下: 任何目前或过去的心血管疾病, 面部或耳痛, 最近的耳外伤, 金属植入高于颈部水平。为了进行适当的主体皮肤准备, 用酒精去除皮肤表面的任何表面油、污垢或化妆品有助于电极的导电性, 降低驱动刺激器所需的刺激电压, 并最终导致更多耐受和安全的刺激会议。鼓励使用符合低输出经颅电刺激 (lotes) 准则32的刺激器电极。lotes 为刺激头部和颈部而建造的电刺激器制定了准则和行业标准, 鼓励团体在建立自己的系统之前阅读本文件。建议使用 fda 清除的插件刺激器 (见材料表), 或低电压 (和 lt;50 v)、电池供电的恒流刺激器, 内置适当的安全措施, 以避免意外的过送电流到刺激点。确保电极的制造和组装在 tavns 中特定使用。如果使用实验室定制的系统, 确保遵循当前的制造和工程指南作为参考。

tavns 的一个考虑因素是确保恒流刺激器的电压输出能够克服皮肤的阻力, 并提供刺激所需的电流。欧姆定律 (v = ir) 显示了电流 (i) 与皮肤阻力 (r) 之间的关系。建议至少使用 20 v 桌面刺激器, 以避免系统动力不足。头皮或环境产生的热量可能会降低导电浆料。如果发生这种情况, 建议停止刺激, 用新的导电浆料重新准备皮肤和电极。

tavns 的一个限制是巨大的参数空间。不知道哪个更重要--脉冲宽度还是频率。在最近的 tavns 试验中, 缺乏回答这些问题的数据。各种行为效应来自于各种脉冲宽度、频率和刺激电流13、33、34、35、36、37、 38,39。

此时, 建议500μs 脉冲宽度为生物活性最强的9。关于频率, 已经证明, 25 赫兹是一个有效的频率, 尽管目前对最佳的调查, 如更高的频率 (和 gt;25 赫兹), 双边刺激 (左和右耳朵), 和调查爆裂的范式正在进行。为了推进和细化 tavns 方法, 需要研究探索不同的刺激参数、替代刺激位点和占空比优化。

tavns 是传统 vns 的一种有前途的非侵入性替代品。tavns 在已演示的实验设置中提供了一种廉价 (和 lt;$5,000, 成本严重依赖所使用的刺激器类型) 和简单的方法, 可用于在探索在各种疾病, 非侵入性调节自主神经系统, 并有可能小型化和优化的家庭神经调节治疗神经精神和其他疾病。

tavns 的未来潜力和可能的应用是巨大的。tavns 可以作为一种有前途的辅助或独立治疗神经精神障碍, 如抑郁症和癫痫, tavns 配对康复训练, 以恢复或加快学习的行为40, 减少炎症反应41,42, 并有可能用于提高性能和自主功能8,10。

Disclosures

作者没有什么可透露的。

Acknowledgments

该出版物中报告的研究得到了国家卫生研究院国家康复中心 nih/nichd 赠款 p2chd0844 的资助, 该赠款颁发给了南卡罗来纳医科大学。内容完全由作者负责, 不一定代表国家卫生研究院或国家人道主义排雷中心的官方观点。

Materials

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

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