DOI: https://doi.org/10.1016/j.neurom.2026.02.010
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42024053
تاريخ النشر: 2026-04-01
المؤلف: Kathryn M Turk وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث تحفيز العصب الحائر
نظرة عامة
تدرس الدراسة آثار تحفيز العصب الحائر العنقي المزروع (VNS) على تنشيط عضلات الحنجرة وتغيرات معدل ضربات القلب لدى البالغين الذين يعانون من الصرع المقاوم للعلاج. كانت الأبحاث تهدف إلى تحديد عتبات التحفيز التي تؤدي إلى آثار جانبية، مثل بحة الصوت والسعال، بالإضافة إلى الاستجابات العلاجية التي تشير إليها تغيرات معدل ضربات القلب. خضع عشرة مشاركين (7 إناث و3 ذكور) لجراحة زراعة VNS، حيث تم اختبار عرض نبضات مختلفة (50، 250، و1000 ميكروثانية/مرحلة) وسعات التحفيز (0.05-28 مللي أمبير).
أشارت النتائج إلى أن السعات المتوسطة المطلوبة لتحقيق 50% من الاستجابة القصوى ل EMG الحنجري كانت أقل بكثير عند عرض نبضات أطول (1.32 مللي أمبير لـ 50 ميكروثانية، 0.49 مللي أمبير لـ 250 ميكروثانية، و0.34 مللي أمبير لـ 1000 ميكروثانية). بالمقابل، كانت السعات اللازمة لإحداث انخفاض بنسبة 10% في معدل ضربات القلب أعلى بحوالي 6 إلى 63 مرة من تلك الخاصة بتنشيط الحنجرة، مما يشير إلى أن الألياف العلاجية المستهدفة لعلاج الصرع قد تكون أكبر في القطر من تلك المسؤولة عن بطء القلب. كما أظهرت النتائج عدم وجود اختلافات كبيرة في الاستجابات بناءً على الجنس أو نوع التحفيز أو ما إذا كانت VNS حادة أو مزمنة. بشكل عام، توفر البيانات رؤى لتحسين برمجة جهاز VNS وزيادة الفعالية العلاجية مع تقليل الآثار الجانبية.
مقدمة
تناقش المقدمة التطبيقات السريرية لتحفيز العصب الحائر العنقي المزروع (VNS) لحالات مثل الصرع المقاوم، والاكتئاب، وعواقب السكتة الدماغية، والتهاب المفاصل الروماتويدي، مع الإشارة أيضًا إلى استخدامه التجريبي لفشل القلب ومرض كرون. على الرغم من إمكاناته العلاجية، يرتبط VNS بآثار جانبية مثل بحة الصوت والسعال، ويرجع ذلك أساسًا إلى تنشيط الألياف الحركية الكبيرة القطر A-alpha التي تعصب عضلات الحنجرة. حددت الدراسات السابقة استجابات عضلات الحنجرة كعلامات حيوية لتنشيط العصب الحائر، لكن العلاقة بين عتبات التنشيط للألياف الكبيرة والصغيرة الميالينية في العصب الحائر لا تزال غير واضحة.
تهدف الدراسة إلى تحديد عتبات التنشيط المختلفة لاستجابات عضلات الحنجرة (التي تشير إلى الآثار الجانبية) وبطء القلب (كمؤشر على تنشيط الألياف العلاجية) خلال VNS أثناء العملية في المشاركين البالغين الذين يعانون من الصرع. من خلال دراسة آثار معلمات VNS مثل مدة النبض والسعة على هذه الاستجابات، تسعى الأبحاث إلى تقديم رؤى حول التنظيم الوظيفي لألياف العصب الحائر وعتبات تنشيطها، مما قد يُفيد في استراتيجيات علاجية مستقبلية وتحسين فعالية علاجات VNS.
الطرق
في هذه الدراسة، قمنا بتجنيد 14 مشاركًا بالغًا يعانون من الصرع المقاوم للعلاج، مقسمين إلى مجموعتين: أولئك الذين يتلقون زراعة جديدة لتحفيز العصب الحائر (VNS) (حاد) وأولئك الذين يخضعون لاستبدال مولد النبض القابل للزراعة (IPG) (مزمن). تم إجراء البحث أثناء العملية خلال نافذة جراحية مدتها 30 دقيقة، حيث طبقنا معلمات تحفيز مختلفة، بما في ذلك عرض نبضات 50، 250، و1000 ميكروثانية، وسعات تتراوح من 0.05 إلى 28 مللي أمبير. بالإضافة إلى ذلك، قمنا بتقييم آثار قطبية التحفيز وسجلنا الاستجابات للمعلمات المبرمجة سريريًا في المشاركين المزمنين.
ركزت جمع البيانات على استجابات عضلات الحنجرة باستخدام تخطيط كهربائية العضلات (EMG) من خلال الأقطاب الكهربائية داخل الرغامي والإبر، إلى جانب مراقبة القلب عبر تخطيط القلب الكهربائي (EKG). في النهاية، تم جمع البيانات بنجاح من عشرة مشاركين (4 إناث مزمنات، 3 إناث حادات، 2 ذكور مزمنين، و1 ذكر حاد)، على الرغم من أن أحد المشاركين قدم فقط بيانات EMG بسبب قيود الوقت. لم يتم جمع بيانات من أربعة مشاركين بسبب صعوبات تقنية واجهت أثناء الإجراء.
النتائج
في هذه الدراسة، قمنا بإجراء تسجيلات داخل العملية لتخطيط كهربائية العضلات (EMG) وتخطيط القلب الكهربائي (EKG) في المشاركين الذين يخضعون لجراحة لزراعة جهاز تحفيز العصب الحائر (VNS) بهدف علاج الصرع. تم تصنيف الموضوعات إلى مجموعتين: أولئك الذين يتلقون استبدال مولد النبض القابل للزراعة (IPG) المزمن وأولئك الذين يتلقون زراعة جديدة حادة. استمر جمع البيانات لمدة 30 دقيقة، حيث ركزنا على تحليل العتبات المطلوبة لاستثارة استجابات EMG والتغيرات المقابلة في معدل ضربات القلب (HR).
توفر النتائج من هذا التحليل رؤى حول الاستجابات الفسيولوجية المرتبطة بزراعة جهاز VNS، مع تسليط الضوء على الاختلافات في عتبات EMG وتغيرات HR بين إجراءات الزراعة المزمنة والحادة. قد تسهم هذه النتائج في تحسين التقنيات الجراحية وتحسين نتائج المرضى في علاج الصرع من خلال VNS.
المناقشة
في هذه الدراسة، بحثنا في الاستجابات الفسيولوجية لتحفيز العصب الحائر (VNS)، مع التركيز على تنشيط عضلات الحنجرة وتغيرات معدل ضربات القلب (HR). أكمل المشاركون، الذين تتراوح أعمارهم بين 18-65 وكانوا مستقرين عصبيًا باستثناء الصرع، استبيانات قبل الجراحة تقيم تكرار النوبات وجودة الحياة. استخدمت الدراسة مزيجًا من تسجيلات EMG الغازية (داخل الرغامي) وغير الغازية (إبر) لتحديد تنشيط عضلات الحنجرة استجابةً لسعات تحفيز مختلفة وعرض نبضات. كشفت نتائجنا أن عرض النبضات الأطول أدى إلى انخفاض عتبات تنشيط EMG، مع عتبات متوسطة تبلغ 1.32 مللي أمبير، 0.49 مللي أمبير، و0.34 مللي أمبير لعرض نبضات 50، 250، و1000 ميكروثانية/مرحلة، على التوالي.
بالإضافة إلى ذلك، لاحظنا استجابات HR ملحوظة لـ VNS، مع انخفاض ≥10% في HR في 8 من 9 مشاركين عند عرض نبضات 50 ميكروثانية/مرحلة. كانت العتبة المتوسطة لبطء القلب 13.39 مللي أمبير عند هذا العرض، بينما لم تكن العتبة لتسرع القلب بعد توقف التحفيز مختلفة بشكل كبير. من الجدير بالذكر أن العلاقة بين عتبات EMG وHR تشير إلى أن عتبات HR كانت أعلى بحوالي 9 مرات من عتبات EMG. تعزز هذه النتائج فهمنا لعتبات التنشيط لأنواع مختلفة من ألياف الأعصاب أثناء VNS وتوفر بيانات حيوية لتحسين الإعدادات العلاجية والتحقق من النماذج الحاسوبية لـ VNS.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.neurom.2026.02.010
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42024053
Publication Date: 2026-04-01
Author(s): Kathryn M Turk et al.
Primary Topic: Vagus Nerve Stimulation Research
Overview
The study investigates the effects of implanted cervical vagus nerve stimulation (VNS) on laryngeal muscle activation and heart rate changes in adults with treatment-resistant epilepsy. The research aimed to quantify the stimulation thresholds that induce side effects, such as hoarseness and coughing, as well as therapeutic responses indicated by heart rate changes. A total of ten participants (7 females and 3 males) underwent VNS implant surgery, during which various pulse widths (50, 250, and 1000 µs/phase) and stimulation amplitudes (0.05-28 mA) were tested.
Results indicated that the median stimulation amplitudes required to achieve 50% of the maximal laryngeal EMG response were significantly lower at longer pulse widths (1.32 mA for 50 µs, 0.49 mA for 250 µs, and 0.34 mA for 1000 µs). In contrast, the amplitudes needed to elicit a 10% decrease in heart rate were approximately 6 to 63 times higher than those for laryngeal activation, suggesting that the therapeutic fibers targeted for epilepsy treatment may be larger in diameter than those responsible for bradycardia. The findings also showed no significant differences in responses based on sex, stimulation type, or whether the VNS was acute or chronic. Overall, the data provide insights for optimizing VNS device programming and enhancing therapeutic efficacy while minimizing side effects.
Introduction
The introduction discusses the clinical applications of implanted cervical vagus nerve stimulation (VNS) for conditions such as refractory epilepsy, depression, stroke sequelae, and rheumatoid arthritis, while also noting its investigational use for heart failure and Crohn’s disease. Despite its therapeutic potential, VNS is associated with side effects like hoarseness and coughing, primarily due to the activation of large diameter A-alpha motor fibers innervating laryngeal muscles. Previous studies have identified laryngeal muscle responses as biomarkers for vagal activation, but the relationship between the activation thresholds of large and small myelinated fibers in the vagus nerve remains unclear.
The study aims to quantify the differential activation thresholds for laryngeal muscle responses (indicative of side effects) and bradycardia (a proxy for the activation of therapeutic fibers) during intraoperative VNS in adult participants with epilepsy. By examining the effects of VNS parameters such as pulse duration and amplitude on these responses, the research seeks to provide insights into the functional organization of vagus nerve fibers and their activation thresholds, which could inform future therapeutic strategies and improve the efficacy of VNS treatments.
Methods
In this study, we recruited 14 adult participants with treatment-resistant epilepsy, categorized into two groups: those receiving a new vagus nerve stimulation (VNS) implant (acute) and those undergoing a replacement implantable pulse generator (IPG) (chronic). Intraoperative research was conducted during a 30-minute surgical window, where we applied various stimulation parameters, including pulse widths of 50, 250, and 1000 µs, and amplitudes ranging from 0.05 to 28 mA. Additionally, we assessed the effects of stimulation polarity and recorded responses to clinically programmed parameters in chronic participants.
Data collection focused on laryngeal muscle responses using electromyography (EMG) through endotracheal and needle electrodes, alongside cardiac monitoring via electrocardiogram (EKG). Ultimately, data were successfully gathered from ten participants (4 chronic females, 3 acute females, 2 chronic males, and 1 acute male), although one participant provided only EMG data due to time constraints. Data from four participants were not collected due to technical difficulties encountered during the procedure.
Results
In this study, we conducted intraoperative recordings of laryngeal electromyography (EMG) and electrocardiography (EKG) in participants undergoing surgery for the implantation of a vagus nerve stimulation (VNS) device aimed at treating epilepsy. The subjects were categorized into two groups: those receiving a chronic implantable pulse generator (IPG) replacement and those receiving a new acute implant. Data collection spanned 30 minutes, during which we focused on analyzing the thresholds required to evoke EMG responses and the corresponding changes in heart rate (HR).
The findings from this analysis provide insights into the physiological responses associated with VNS device implantation, highlighting the differences in EMG thresholds and HR variations between the chronic and acute implantation procedures. These results may contribute to optimizing surgical techniques and improving patient outcomes in epilepsy treatment through VNS.
Discussion
In this study, we investigated the physiological responses to vagus nerve stimulation (VNS), focusing on laryngeal muscle activation and heart rate (HR) changes. Participants, aged 18-65 and neurologically stable except for epilepsy, completed pre-surgical surveys assessing seizure frequency and quality of life. The study utilized a combination of invasive (endotracheal) and non-invasive (needle) EMG recordings to quantify laryngeal muscle activation in response to varying stimulation amplitudes and pulsewidths. Our findings revealed that longer pulsewidths resulted in lower EMG activation thresholds, with median thresholds of 1.32 mA, 0.49 mA, and 0.34 mA for pulsewidths of 50, 250, and 1000 µs/phase, respectively.
Additionally, we observed significant HR responses to VNS, with a ≥10% decrease in HR in 8 out of 9 participants at a pulsewidth of 50 µs/phase. The median threshold for bradycardia was 13.39 mA at this pulsewidth, while the threshold for tachycardia after stimulation cessation was not significantly different. Notably, the correlation between EMG and HR thresholds indicated that HR thresholds were approximately 9 times higher than EMG thresholds. These results enhance our understanding of the activation thresholds for different nerve fiber types during VNS and provide critical data for optimizing therapeutic settings and validating computational models of VNS.