Nutaikyti į smegenis garso bangomis

Ultragarso bangos, šiuo metu naudojamos medicinoje prenataliniam skenavimui ir kitiems diagnostikos tikslams, vieną dieną galėtų būti naudojamos kaip neinvazinis būdas kontroliuoti smegenų veiklą. Per pastaruosius dvejus metus mokslininkai pradėjo eksperimentuoti su žemo dažnio, žemo intensyvumo ultragarsu, kuris gali prasiskverbti į kaukolę ir suaktyvinti arba nutildyti smegenų ląsteles. Tyrėjai tikisi, kad ši technologija galėtų būti alternatyva labiau invaziniams metodams, tokiems kaip giliųjų smegenų stimuliacija (DBS) ir klajoklio nervo stimuliacija, kurie naudojami vis daugiau neurologinių sutrikimų gydyti.





Smegenų bangos : Mokslininkai naudoja žemo intensyvumo, žemo dažnio ultragarsą, kad suaktyvintų smegenis. Suaktyvinti neuronai smegenų audinio pjūvėje čia rodomi raudonai.

Kai žmonės išsiaiškino, ką jie gali padaryti su DBS ir klajoklio nervo stimuliacija, manome, kad galime atjungti tuos įrenginius ir kontroliuoti veiklą iš išorės, sakoma pranešime. Viljamas (Jamie) Taileris , neurologas iš Arizonos valstijos universiteto Tempe. Tyleris įkūrė įmonę „SynSonix“, siekdamas komercializuoti šią technologiją.

Prietaisai, skirti gydyti smegenų sutrikimus, pastaraisiais metais išpopuliarėjo. DBS, vartojamas Parkinsono ligai, distonijai ir obsesiniam-kompulsiniam sutrikimui gydyti, implantuotu elektrodu duoda elektrinį smegenyse. Tačiau dėl savo invazinio pobūdžio DBS naudojamas tik sunkiais atvejais, kurių negalima gydyti vaistais. Mažiau invazinis metodas yra transkranijinė magnetinė stimuliacija (TMS), kai virš galvos esanti elektrinė ritė sukuria magnetinį lauką, kuris praeina per kaukolę ir sužadina neuronus žemiau esančiose smegenyse. TMS naudojamas klinikinei depresijai gydyti, tačiau jis gali būti nukreiptas tik į paviršutiniškesnes smegenų dalis.

Su ultragarsu mes turime daug geresnį erdvinį fokusavimą nei [su] DBS, sako Tyleris. Ir skirtingai nei TMS, mes galime patekti į bet kurią smegenų vietą. Ultragarsas, susidedantis iš garso bangų, kurių dažnis didesnis nei 20 kilohercų, dešimtmečius buvo naudojamas medicinoje raumenims, organams ir vaisiams vaizduoti. Per pastaruosius penkerius metus geresni ultragarso energijos fokusavimo įrankiai leido jį naudoti kaip abliacijos įrankį: dabar chirurgai gali naudoti didelio intensyvumo, aukšto dažnio ultragarsą (HIFU), kad iš esmės sudegintų gimdos fibromas. HIFU taip pat atlieka klinikinius smegenų auglių, krūties navikų ir prostatos vėžio gydymo tyrimus.

Tie patys įrankiai dabar leidžia mokslininkams taikyti ultragarsą smegenims valdyti, o idėja, kuri iš tikrųjų egzistuoja dešimtmečius. Geresni ultragarso keitikliai, generuojantys akustines bangas, leidžia tiksliau fokusuoti ultragarso energiją. O magnetinio rezonanso tomografija (MRT), naudojama kartu su ultragarsu, leidžia chirurgams tiksliau nustatyti konkrečias kūno vietas. Gebėjimas suderinti fokusuotą ultragarsą su MR (magnetinio rezonanso) valdymu yra nepaprastai galingas. Neilas Kassellas , neurochirurgas iš Virdžinijos universiteto Šarlotsvilyje ir jo pirmininkas Fokusuotas ultragarsinės chirurgijos fondas Šarlotsvilyje įsikūrusi ne pelno siekianti organizacija, įkurta siekiant sukurti naujas tikslinio ultragarso programas.

Vienas iš iššūkių naudojant ultragarsą nukreipti į smegenis yra išsiaiškinti, kaip kontroliuojamu būdu perduoti garso bangas per kaukolę. Paprastai ultragarsas veikia nuo megahercų iki gigahercų – dažniais, kurie yra tinkami prasiskverbti pro minkštuosius audinius, bet suskystintų kaulus. (Kaulas sugeria akustinės bangos energiją, jis įkaista.) Bostono Brighamo ir moterų ligoninės tyrėjai nustatė, kad ultragarso dažnis, mažesnis nei vienas megahercas, gali padėti, bet su kompromisu: mažesnis dažnis, tuo sunkiau sutelkti energiją į tam tikrą smegenų tašką.

Tačiau per pastaruosius metus mokslininkams pavyko išspręsti šį kompromisą. Išsamūs kaukolės vaizdai, sukurti naudojant kompiuterinę tomografiją ir MRT, gali padėti mokslininkams apskaičiuoti geriausią būdą sufokusuoti garso bangas, sakoma. Seung-Schik Yoo , Brighamo ir moterų bei Harvardo medicinos mokyklos neurologas. Dar nepaskelbtame darbe Yoo ir jo kolegos įrodė, kad žemo dažnio, žemo intensyvumo ultragarsas gali sėkmingai slopinti vizualinį aktyvumą triušių smegenyse, taip pat selektyviai suaktyvinti motorinės žievės veiklą. Taip pat nagrinėjame gebėjimą moduliuoti hormonus ar neurotransmiterius, kurie gali būti naudojami psichikos sutrikimams, nutukimui ir priklausomybei gydyti, sako Yoo.

Praėjusiais metais žurnale paskelbtame straipsnyje PLoS ONE Tyleris įrodė, kad žemo dažnio ir mažo intensyvumo ultragarsas gali suaktyvinti kanalus, esančius nervinių ląstelių membranoje smegenų audinio pjūvėje, ir paskatinti ląsteles siųsti elektrinį pranešimą per nervų grandinę. Nuo tada jis galėjo naudoti ultragarsą motorinei žievei stimuliuoti ir gyvų pelių judėjimui sukelti. Šis darbas dar nepaskelbtas.

Tyrėjai tikisi šiai naujai programai pasirinkti HIFU sukurtus instrumentus. Kelios prietaisų įmonės sukūrė fazinius ultragarso keitiklių matricas, kurios leidžia tiksliai nukreipti ultragarso energiją ir kurios šiuo metu yra išbandomos siekiant pašalinti smegenų auglius. Atsižvelgdami į individualią kaukolės anatomiją, galite užprogramuoti ultragarso įrangą, kad ji sudegintų atskirus elementus ir pateiktų gerai apibūdintą spindulį, atsižvelgiant į vietą ir dydį, kuris gali būti pritaikytas kiekvienam pacientui, sako Yoo.

Kadangi fokusuotas ultragarsas jau plačiai naudojamas, mokslininkai optimistiškai nusiteikę, kad jis nesusidurs su didelėmis kliūtimis pereinant prie klinikinių tyrimų. Neurologams ir neurochirurgams tai yra nusistovėjusi technika, sako Tyleris. Saugumo ribos yra gerai žinomos. Kassellas priduria, kad, manau, iš tikrųjų bus lengviau gauti patvirtinimą [nei tai buvo HIFU], nes fokusuoto ultragarso slėgis yra mažesnis, nei smegenys patiria iš transkranijinio Doplerio, diagnostikos prietaiso, naudojamo galvos kraujagyslėms apžiūrėti po to, kai insultas ir kraujavimas.

Kassellas teigia, kad fondą labiausiai domina žemo intensyvumo, žemo dažnio ultragarso naudojimas chirurginiam planavimui. Epilepsija sergantiems pacientams chirurgai gali naudoti šią technologiją, kad laikinai nutildytų smegenų audinio gabalėlį, kuris, kaip manoma, yra atsakingas už priepuolių sukėlimą, taip patvirtinant teisingą lokalizaciją, o tada naudoti HIFU, kad pašalintų tą audinio gabalėlį.

Tailerį labiausiai domina tikslinio ultragarso naudojimas Parkinsono ligai gydyti. Kadangi tai nėra invazinė, galime gydyti pacientus daug anksčiau, sako jis. Šiuo metu žmonės, sergantys DBS, yra patys blogiausi pacientai.

Nors pradiniai prietaisai greičiausiai būtų panašūs į mažesnę MRT aparato versiją, Parkinsono liga sergantiems pacientams gydyti reikės nešiojamo arba implantuojamo prietaiso, galinčio nuolat stimuliuoti. Tailerio komanda dirba su lanksčiais ultragarso keitikliais, kuriuos būtų galima implantuoti ant kaukolės arba suformuoti į dangtelį.

Kol kas neaišku, kaip ultragarsas sukelia neuronų elektrinį aktyvumą, tačiau kai kurie mano, kad tai per garso bangų generuojamą šiluminę energiją. Tačiau Taileris teigia turintis įrodymų, kad neuronai aktyvuojami naudojant mechaninę energiją. Ankstesni tyrimai iš tiesų parodė, kad neuronų kanalai, kontroliuojantys elektrinį aktyvumą smegenyse, gali būti aktyvuojami mechaniniu slėgiu. Tai, kas, mūsų manymu, vyksta, yra tam tikras mikrokavitacijos efektas, pvz., spinduliuotė ar grynas įtempimas, kuris veikia kanalus, kontroliuojančius nervų veiklą, sako jis.

paslėpti