211service.com
Celowanie w mózg za pomocą fal dźwiękowych
Fale ultradźwiękowe, obecnie stosowane w medycynie do badań prenatalnych i innych celów diagnostycznych, pewnego dnia mogą zostać wykorzystane jako nieinwazyjny sposób kontrolowania aktywności mózgu. W ciągu ostatnich dwóch lat naukowcy zaczęli eksperymentować z ultradźwiękami o niskiej częstotliwości i intensywności, które mogą przenikać przez czaszkę i aktywować lub wyciszać komórki mózgowe. Naukowcy mają nadzieję, że technologia ta może stanowić alternatywę dla bardziej inwazyjnych technik, takich jak stymulacja głębokiego mózgu (DBS) i stymulacja nerwu błędnego, które są wykorzystywane w leczeniu coraz większej liczby zaburzeń neurologicznych.
Fale mózgowe : Naukowcy używają ultradźwięków o niskiej intensywności i niskiej częstotliwości do aktywacji mózgu. Aktywowane neurony w skrawku tkanki mózgowej pokazano tutaj na czerwono.
Kiedy ludzie dowiedzą się, co mogą zrobić z DBS i stymulacją nerwu błędnego, myślimy, że możemy odłączyć te urządzenia i kontrolować aktywność z zewnątrz, mówi William (Jamie) Tyler , neurolog na Uniwersytecie Stanowym Arizony w Tempe. Tyler założył firmę SynSonix w celu komercjalizacji technologii.
W ostatnich latach popularność urządzeń przeznaczonych do leczenia chorób mózgu zyskała na popularności. DBS, który jest stosowany w leczeniu choroby Parkinsona, dystonii i zaburzeń obsesyjno-kompulsywnych, dostarcza wstrząs elektryczny do mózgu za pomocą wszczepionej elektrody. Jednak ze względu na swój inwazyjny charakter DBS stosuje się tylko w ciężkich przypadkach, których nie można leczyć lekami. Mniej inwazyjną techniką jest przezczaszkowa stymulacja magnetyczna (TMS), w której cewka elektryczna umieszczona nad głową generuje pole magnetyczne, które przechodzi przez czaszkę i pobudza neurony w mózgu poniżej. TMS stosuje się w leczeniu depresji klinicznej, ale może on atakować tylko bardziej powierzchowne części mózgu.
W przypadku ultradźwięków mamy znacznie lepsze skupienie przestrzenne niż w przypadku DBS, mówi Tyler. I w przeciwieństwie do TMS, możemy dostać się do dowolnego miejsca w mózgu. Ultradźwięki – składające się z fal dźwiękowych o częstotliwości powyżej 20 kiloherców – są od dziesięcioleci stosowane w medycynie do obrazowania mięśni, narządów i płodów. W ciągu ostatnich pięciu lat lepsze narzędzia do skupiania energii ultradźwiękowej umożliwiły jej wykorzystanie jako narzędzia do ablacji: chirurdzy mogą teraz używać ultradźwięków o wysokiej intensywności i wysokiej częstotliwości (HIFU), aby zasadniczo wypalić mięśniaki macicy. HIFU jest również w testach klinicznych w leczeniu guzów mózgu, guzów piersi i raka prostaty.
Te same narzędzia pozwalają teraz naukowcom na zastosowanie ultradźwięków do kontrolowania mózgu, co w rzeczywistości istnieje od dziesięcioleci. Lepsze przetworniki ultradźwiękowe generujące fale akustyczne umożliwiają dokładniejsze skupienie energii ultradźwiękowej. A obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (MRI) stosowane w połączeniu z ultradźwiękami umożliwia chirurgom dokładniejsze dotarcie do określonych obszarów ciała. Zdolność do łączenia skoncentrowanych ultradźwięków z prowadzeniem MR [rezonansu magnetycznego] jest niezwykle potężna, mówi Neal Kassell , neurochirurg na Uniwersytecie Wirginii w Charlottesville i przewodniczący Fundacja chirurgii skoncentrowanej ultrasonografii , organizacja non-profit z siedzibą w Charlottesville, która została założona w celu opracowywania nowych aplikacji do skoncentrowanego ultradźwięku.
Jednym z wyzwań związanych z używaniem ultradźwięków do celowania w mózg jest wymyślenie, jak w kontrolowany sposób przepuścić fale dźwiękowe przez czaszkę. Zazwyczaj ultradźwięki działają w zakresie od megaherców do gigaherców - częstotliwości, które są odpowiednie do przechodzenia przez tkankę miękką, ale upłynniają kość. (Gdy kość pochłania energię fali akustycznej, nagrzewa się.) Naukowcy z Brigham and Women's Hospital w Bostonie odkryli, że częstotliwość ultradźwięków poniżej jednego megaherca może załatwić sprawę, ale z kompromisem: im niższa częstotliwość, tym trudniej jest skoncentrować energię na określonym punkcie w mózgu.
Jednak w ubiegłym roku naukowcom udało się rozwiązać ten kompromis. Szczegółowe obrazy czaszki wygenerowane za pomocą tomografii komputerowej i rezonansu magnetycznego mogą pomóc naukowcom w obliczeniu najlepszego sposobu skupienia fal dźwiękowych, mówi Seung-Schik Yoo , neurolog w Brigham and Women’s and Harvard Medical School. W nieopublikowanej jeszcze pracy Yoo i jego koledzy wykazali, że ultradźwięki o niskiej częstotliwości i intensywności mogą skutecznie tłumić aktywność wzrokową w mózgach królików, a także selektywnie wyzwalać aktywność w korze ruchowej. Patrzymy również na zdolność do modulowania hormonów lub neuroprzekaźników, które mogą mieć zastosowanie w zaburzeniach psychicznych, otyłości i uzależnieniach, mówi Yoo.
W artykule opublikowanym w zeszłym roku w czasopiśmie PLoS ONE Tyler wykazał, że ultradźwięki o niskiej częstotliwości i intensywności mogą aktywować kanały znajdujące się w błonie komórek nerwowych w skrawku tkanki mózgowej, wyzwalając komórki do wysyłania wiadomości elektrycznej przez obwód nerwowy. Od tego czasu był w stanie używać ultradźwięków do stymulacji kory ruchowej i wyzwalania ruchu u żywych myszy. Ta praca nie została jeszcze opublikowana.
Naukowcy mają nadzieję dokooptować instrumenty opracowane dla HIFU do tej nowej aplikacji. Kilka firm produkujących instrumenty opracowało układy fazowanych przetworników ultradźwiękowych, które umożliwiają precyzyjne ukierunkowanie energii ultradźwiękowej i które są obecnie testowane pod kątem usuwania guzów mózgu. W zależności od indywidualnej anatomii czaszki można zaprogramować sprzęt ultradźwiękowy tak, aby wystrzelił poszczególne elementy, aby dostarczyć dobrze scharakteryzowany pod względem lokalizacji i rozmiaru wiązkę, którą można dostosować do każdego pacjenta – mówi Yoo.
Ponieważ skoncentrowane ultradźwięki są już szeroko stosowane, naukowcy są optymistami, że nie napotkają żadnych poważnych przeszkód w przejściu na testy kliniczne. Dla neurologów i neurochirurgów jest to dobrze ugruntowana technika, mówi Tyler. Marginesy bezpieczeństwa są dobrze znane. Dodaje Kassell, myślę, że w rzeczywistości będzie łatwiej uzyskać zgodę [niż w przypadku HIFU], ponieważ ciśnienie skupionego ultradźwięku jest mniejsze niż ciśnienie, które mózg uzyskuje z przezczaszkowego Dopplera, urządzenia diagnostycznego używanego do badania naczyń w głowie po udar i krwotok.
Kassell mówi, że fundacja jest najbardziej zainteresowana wykorzystaniem ultradźwięków o niskiej intensywności i niskiej częstotliwości do planowania chirurgicznego. U pacjentów z padaczką chirurdzy mogą wykorzystać tę technologię do tymczasowego wyciszenia fragmentu tkanki mózgowej, który uważa się za odpowiedzialny za wywoływanie napadów, potwierdzając w ten sposób prawidłową lokalizację, a następnie użyć HIFU do ablacji tego fragmentu tkanki.
Tylera najbardziej interesuje stosowanie skoncentrowanych ultradźwięków w leczeniu choroby Parkinsona. Ponieważ nie jest inwazyjny, możemy być w stanie leczyć pacjentów znacznie wcześniej w progresji, mówi. W tej chwili ludzie, którzy mają DBS, są najgorszymi pacjentami.
Podczas gdy początkowe urządzenia prawdopodobnie przypominałyby mniejszą wersję urządzeń do rezonansu magnetycznego, leczenie pacjentów z chorobą Parkinsona wymagałoby urządzenia nadającego się do noszenia lub wszczepiania, zdolnego do ciągłej stymulacji. Zespół Tylera pracuje nad elastycznymi przetwornikami ultradźwiękowymi, które można by wszczepić na czubek czaszki lub umieścić w czapce.
Nie jest jeszcze jasne, w jaki sposób ultradźwięki wyzwalają aktywność elektryczną w neuronach, ale niektórzy uważają, że dzieje się to dzięki energii cieplnej generowanej przez fale dźwiękowe. Tyler twierdzi jednak, że ma dowody na to, że neurony są aktywowane przez energię mechaniczną. Wcześniejsze badania rzeczywiście wykazały, że kanały neuronowe, które kontrolują aktywność elektryczną w mózgu, mogą być aktywowane za pomocą nacisku mechanicznego. Uważamy, że dzieje się coś w rodzaju efektu mikrokawitacyjnego, takiego jak promieniowanie lub zwykłe naprężenie, które wpływają na kanały kontrolujące aktywność nerwową, mówi.