Nová ultrazvuková technika používaná ke stimulaci více míst v mozku současně

Nová ultrazvuková technika poprvé umožňuje vědcům stimulovat více míst v mozku současně. Tím se otevírá nové možnosti pro léčbu ničivých onemocnění mozku, jako jsou Alzheimerova choroba, Parkinsonova a deprese v budoucnosti.

Prvním snímkem pořízeného člověka dnes je ultrazvukový sken v lůně. Tato technologie je však schopna mnohem více než to. Fyzioterapeuti již dlouho používají ultrazvuk k zahřívání tělesných tkání a onkologičtí chirurgové používají ultrazvuk s vysokou intenzitou-a teplo, které generuje uvnitř těla-k ničení nádorů.

Během posledního desetiletí vědci také zkoumají, jak lze ultrazvuk s nízkou intenzitou použít k ovlivnění nervové aktivity v mozku cíleným způsobem. Počáteční klinické studie se již snaží ověřit, zda by tato „neuromodulace“ mohla pomoci zmírnit příznaky Alzheimerovy nebo epilepsie nebo otřesy pacientů s třesem.

Nyní se vědcům z ETH Curychu, University of Curych a New York University podařilo zlepšit techniku ​​ultrazvukové stimulace v mozku. Vědci vyvinuli zařízení, které jim poprvé umožňuje stimulovat tři nebo až pět přesně definovaných bodů v mozku současně, jak ukazují ve své studii. Až dosud to bylo možné pouze do jisté míry – as mnohem menší přesností.

Vzhledem k tomu, že mozek pracuje v sítích, je snazší aktivovat nebo inhibovat mozkovou síť, pokud ji stimulujete ve více bodech současně. “

Daniel Razansky, profesor v ETH Curychu a University of Curych

Razansky vedl práci spolu s kolegou z New York University.

Přes lebku

V této metodě se neuromodulace provádí lebkou umístěním zařízení na hlavu. Jedná se o neinvazivní techniku-jinými slovy není potřeba kraniotomie ani jiná chirurgická intervence.

Vědci provedli neuromodulaci na myších v laboratoři. Za tímto účelem umístili myší hlavu do středu kapoty vybavené několika stovkami ultrazvukových převodníků vyvinutých vědci.

S pomocí sofistikované stimulační elektroniky tyto převodníky generují krátké ultrazvukové impulzy takovým způsobem, že ultrazvukové vlny navzájem narušují v mozku. Princip je podobný hologramu, zjevně trojrozměrný obraz, který je produkován interakcí mezi světlými vlnami. V nové metodě vyvinuté vědci z Curychu a New Yorku jsou individuální ohnisko produkovány překrýváním velkého počtu ultrazvukových vln.

Modulací mozkových sítí na více místech současně mohou vědci pracovat s nižší intenzitou ultrazvuku ve srovnání se stimulacími jednoho místa. „Čím méně intenzivní je ultrazvuk, tím bezpečnější je tento proces pro mozek,“ vysvětluje Razansky. Dřívější přístupy k ultrazvukové neuromodulaci často trpěly účinku všeho nebo nic: pokud byl ultrazvuk příliš slabý, neměl žádný účinek, zatímco nadměrná vysoká intenzita vedla k nekontrolovanému excitaci celého mozku, což přineslo riziko poškození mozku. Intenzivní ultrazvuk může navíc způsobit vaskulární poškození a další nežádoucí účinky na přehřátí v mozku nebo lebce.

Mechanický vliv na proteiny

Ultrazvukové impulzy zaměřené na nízkou intenzitu mají krátkodobý účinek, včetně krátkého zvýšení teploty v ohniskové oblasti. Navíc se předpokládá, že také ovlivňují kanálové proteiny, které se nacházejí na povrchu neuronů a které řídí transport iontů do a ven z buněk. Které mechanismy přispívají k aktivaci a inhibici neuronů – a do jaké míry – je něco, co vědci stále musí podrobně prozkoumat.

Nová metoda může být použita nejen k aktivaci mozkových sítí, ale také k současně vizualizaci této aktivace pomocí zobrazování, takže vědci mohou okamžitě vidět, které sítě byly aktivovány.

Poslední studie, kterou vědci zveřejnili v časopise Biomedicínské inženýrství přírody, Sloužil k vývoji této technologie a nebyl zaměřen na lékařskou aplikaci.

Pro tento výzkum jsou nezbytné experimenty na zvířatech

Tato studie a spolupráce s vědci z New York University byly financovány hlavně Národními ústavy zdravotnictví Spojených států. Vzhledem k tomu, že tato agentura je v současné době pod politickým tlakem a již neposkytuje financování mezinárodním výzkumným partnerům, v současné době není možné, aby vědci pokračovali ve spolupráci ve stejném rámci, vysvětluje Razansky. Chtěl by však pokračovat v práci podle svých nejlepších schopností s jinými zdroji financování.

Dále se vědci chtějí zaměřit na aplikace a testovat technologii v různých zvířecích modelech onemocnění mozku. Kromě Alzheimerovy, tremoru a epilepsie patří další potenciální lékařské aplikace deprese, Parkinsonovo a zotavení mrtvice.

„Pro náš výzkum spoléháme na zvířata,“ říká Razansky. „Nebude možné prozkoumat tento vývoj v takové rané fázi u lidí. Nejprve se musíme naučit, jak kontrolovat zásah a zajistit, aby byl pro léčbu mozkových chorob bezpečný a účinný.“

Razanskyho skupina se specializuje na vývoj ultrazvukových a optických zobrazovacích technik – konkrétně v aspektech systémového inženýrství, experimentální metody a analýzu dat. Kolegové z New Yorku přispěli jejich odborností v oblasti neurovědy. Vývoj zařízení a experimenty se odehrávaly v Curychu.