Ultrazvukové zařízení umožňuje přesnou neinvazivní stimulaci hlubokých oblastí mozku

Ultrazvukové zařízení, které může přesně stimulovat oblasti hluboko v mozku bez chirurgického zákroku, bylo vyvinuto vědci z UCL a Oxfordské univerzity a otevírají nové možnosti neurologického výzkumu a léčby poruch, jako je Parkinsonova choroba.

Vědci již dlouho hledají způsob, jak modulovat funkci mozku, což by mohlo zlepšit naše chápání toho, jak mozek funguje a pomáhat léčit neurologická onemocnění pomocí neinvazivních metod, které nezahrnují chirurgický zákrok.

Jednou technologií, která by mohla pomoci, je transkraniální ultrazvuková stimulace (TUS), která byla nedávno objevena jako schopná modulovat aktivitu neuronů (klíčové komunikační buňky mozku) dodáním jemných mechanických pulzů, které ovlivňují to, jak tyto buňky vysílají signály.

K dnešnímu dni se však současné systémy snažily dosáhnout hlubších oblastí mozku s dostatečnou přesností, aby se zaměřily na specifické struktury mozku. Konvenční systémy TUS často ovlivňují širší oblasti, než bylo zamýšleno, což omezuje jejich užitečnost pro cílenou neuromodulaci.

Studie zveřejněná v Přírodní komunikacePředstavuje nové ultrazvukové zařízení schopné poprvé ovlivňovat hluboké oblasti mozku bez chirurgického zákroku, cílení oblastí přibližně 1 000krát menší než konvenční ultrazvukové zařízení mohou určit a 30krát menší než předchozí ultrazvukové zařízení hlubokého mozku.

Nová technologie obsahuje 256 prvků nakonfigurovaných uvnitř speciální helmy pro odesílání zaostřených paprsků ultrazvuku do konkrétních částí mozku, aby se neuronální aktivita obrátila nahoru nebo dolů. Zahrnuje také měkkou plastovou obličejovou masku, která pomáhá přesněji zacílit na ultrazvukové vlny tím, že drží hlavu v klidu.

Výzkumný tým prokázal schopnosti systému u sedmi lidských dobrovolníků zaměřit se na část Thalamu, malou strukturu ve středu mozku, která pomáhá předat senzorické a motorické informace, nazývané laterální genikulární jádro (LGN). LGN se podílí na zpracování vizuálních informací.

V prvním experimentu se účastníci podívali na blikající šachovnici, která poslala signály do mozku očima. Během stimulace ultrazvukovým zařízením vykazovalo skenování funkčního zobrazování magnetickou rezonancí (fMRI) významně zvýšenou aktivitu ve vizuální kůře účastníků, což potvrzuje přesné cílení LGN.

Druhý experiment odhalil trvalé snížení aktivity vizuální kůry po dobu nejméně 40 minut po stimulaci ultrazvuku, což zdůraznilo potenciál systému pro vyvolání trvalých změn funkce mozku.

Přestože účastníci vědomě nevnímali žádné změny v tom, co během experimentů viděli, skenování mozku odhalilo významné změny v nervové aktivitě. Konečným cílem je využít tyto účinky a vytvářet klinicky prospěšné výsledky, jako je zastavení třesu rukou.

Tento pokrok otevírá příležitosti jak pro výzkum neurovědy, tak pro klinickou léčbu. Vědci mohou poprvé neinvazivně studovat kauzální vztahy v hlubokých mozkových obvodech, které byly dříve přístupné pouze chirurgickým zákrokem.

Klinicky by tato nová technologie mohla transformovat léčbu neurologických a psychiatrických poruch, jako je Parkinsonova choroba, deprese a esenciální třes, což nabízí bezprecedentní přesnost při zaměření na specifické mozkové obvody, které hrají klíčovou roli v těchto podmínkách.

Schopnost přesně modulovat hluboké mozkové struktury bez chirurgického zákroku představuje posun paradigmatu v neurovědě, nabízí bezpečné, reverzibilní a opakovatelnou metodu pro pochopení funkce mozku a vývoj cílených terapií. “

Profesor Bradley Treeby, vedoucí autor studie z UCL Medical Physics and Biomedical Engineering

Kromě svých výzkumných aplikací by systém mohl připravit cestu pro nové klinické intervence. Hluboká stimulace mozku (DBS), která se v současné době používá k léčbě stavů, jako je Parkinsonova choroba, vyžaduje invazivní chirurgii a nese související rizika. Nový ultrazvukový systém nabízí neinvazivní alternativu se srovnatelnou přesností, což potenciálně umožňuje klinickým lékařům testovat oblasti mozku, které by mohly být použity k léčbě onemocnění před chirurgickým zákrokem nebo dokonce nahradit chirurgické přístupy.

Několik členů výzkumného týmu, kteří si uvědomili tento klinický potenciál, nedávno založili Neuroharmonics, Spinout Company UCL, která vyvinula přenosnou a nositelnou verzi systému. Cílem společnosti je zpřístupnit přesnou, neinvazivní hlubokou mozkovou terapii jak pro klinickou léčbu, tak pro širší terapeutické aplikace.

Dr. Eleanor Martin, první autor studie z UCL Medical Physics and Biomedical Engineering, uvedl: „Navrhli jsme systém, aby byl kompatibilní se současným fMRI, což nám umožnilo sledovat účinky stimulace v reálném čase. Tím se otevírá vzrušující možnosti pro neuromodulaci s uzavřenou smyčkou a osobní terapií.“

Vědci zdůrazňují, že jsou nutné další studie k plnému porozumění mechanismům, které jsou základem neuromodulace vyvolané TUS. Výsledky však znamenají významný milník ve vývoji bezpečných, efektivních a cílených technologií stimulace mozku.

Dr. Ioana Grigoras, první autor studie z Nuffield Department of Clinical Neurosciences, Oxfordská univerzita, řekl: „Toto nové mozkové stimulační zařízení představuje průlom v naší schopnosti přesně zacílit na hluboké mozkové struktury, které byly dříve nemožné dosáhnout neinvazivně.“

Studie byla podporována Radou pro výzkum inženýrství a fyzických věd (EPSRC), Wellcome a NIHR Oxford Health Biomedical Research Center.