211service.com
Zaměření na mozek pomocí zvukových vln
Ultrazvukové vlny, které se v současnosti používají v medicíně pro prenatální skenování a další diagnostické účely, by mohly být jednoho dne použity jako neinvazivní způsob kontroly mozkové aktivity. Během posledních dvou let vědci začali experimentovat s nízkofrekvenčním ultrazvukem o nízké intenzitě, který dokáže proniknout do lebky a aktivovat nebo umlčet mozkové buňky. Vědci doufají, že tato technologie by mohla poskytnout alternativu k invazivnějším technikám, jako je hluboká mozková stimulace (DBS) a stimulace vagusového nervu, které se používají k léčbě rostoucího počtu neurologických poruch.
Mozkové vlny : Vědci používají k aktivaci mozku ultrazvuk s nízkou intenzitou a nízkou frekvencí. Aktivované neurony v řezu mozkové tkáně jsou zde znázorněny červeně.
Jakmile lidé zjistí, co mohou dělat s DBS a stimulací vagusového nervu, myslíme si, že můžeme tato zařízení odpojit a ovládat aktivitu zvenčí těla, říká William (Jamie) Tyler , neurolog z Arizonské státní univerzity v Tempe. Tyler založil společnost s názvem SynSonix, aby komercializoval technologii.
Zařízení určená k léčbě mozkových poruch v posledních letech roste na popularitě. DBS, který se používá k léčbě Parkinsonovy choroby, dystonie a obsedantně-kompulzivní poruchy, dodává do mozku elektrický šok prostřednictvím implantované elektrody. Kvůli své invazivní povaze se však DBS používá pouze u závažných případů, které nelze léčit léky. Méně invazivní technikou je transkraniální magnetická stimulace (TMS), při níž elektrická cívka umístěná nad hlavou generuje magnetické pole, které prochází lebkou a excituje neurony v mozku pod ní. TMS se používá k léčbě klinické deprese, ale může se zaměřit pouze na povrchnější části mozku.
S ultrazvukem máme mnohem lepší prostorové zaostření než [s] DBS, říká Tyler. A na rozdíl od TMS se můžeme v mozku dostat kamkoli. Ultrazvuk – skládající se ze zvukových vln s frekvencí nad 20 kHz – se v medicíně používá po desetiletí k zobrazení svalů, orgánů a plodů. V posledních pěti letech umožnily lepší nástroje pro zaostření ultrazvukové energie jeho použití jako ablačního nástroje: chirurgové nyní mohou používat vysoce intenzivní, vysokofrekvenční ultrazvuk (HIFU) k v podstatě spálení děložních myomů. HIFU je také v klinickém testování pro léčbu mozkových nádorů, nádorů prsu a rakoviny prostaty.
Tyto stejné nástroje nyní vědcům umožňují používat ultrazvuk k ovládání mozku, což je myšlenka, která ve skutečnosti existuje po celá desetiletí. Lepší ultrazvukové měniče, které generují akustické vlny, umožňují přesnější zaměření ultrazvukové energie. A zobrazování magnetickou rezonancí (MRI) používané ve spojení s ultrazvukem umožňuje chirurgům přesněji zacílit na konkrétní oblasti těla. Schopnost spojit zaostřený ultrazvuk s vedením MR [magnetická rezonance] je mimořádně silná, říká Neal Kassell , neurochirurg na University of Virginia, v Charlottesville, a předseda Nadace pro specializovanou ultrazvukovou chirurgii , nezisková organizace se sídlem v Charlottesville, která byla založena za účelem vývoje nových aplikací pro zaostřený ultrazvuk.
Jednou z výzev při použití ultrazvuku k zacílení mozku je zjistit, jak kontrolovaným způsobem dostat zvukové vlny skrz lebku. Ultrazvuk obvykle pracuje v rozsahu megahertz až gigahertz – frekvence, které jsou vhodné pro průchod měkkou tkání, ale zkapalňují kost. (Když kost pohlcuje energii akustické vlny, zahřívá se.) Výzkumníci z Brigham and Women's Hospital v Bostonu zjistili, že ultrazvuková frekvence nižší než jeden megahertz může stačit, ale s kompromisem: čím nižší frekvence, tím obtížnější je zaměřit energii na konkrétní bod v mozku.
V minulém roce se však vědcům podařilo tento kompromis vyřešit. Podrobné snímky lebky vytvořené pomocí CT skenu a MRI mohou vědcům pomoci vypočítat nejlepší způsob, jak zaměřit zvukové vlny, říká Seung-Schik Yoo , neurolog z Brigham and Women’s and Harvard Medical School. V dosud nepublikované práci Yoo a jeho kolegové prokázali, že nízkofrekvenční ultrazvuk s nízkou intenzitou může úspěšně potlačit vizuální aktivitu v mozcích králíků a také selektivně spustit aktivitu v motorické kůře. Zabýváme se také schopností modulovat hormony nebo neurotransmitery, které mohou mít uplatnění u psychiatrických poruch, obezity a závislosti, říká Yoo.
V článku publikovaném v loňském roce v časopise PLoS ONE Tyler prokázal, že nízkofrekvenční ultrazvuk s nízkou intenzitou může aktivovat kanály, které sedí v membráně nervových buněk v řezu mozkové tkáně, a spouštět buňky, aby posílaly elektrickou zprávu přes nervový okruh. Od té doby byl schopen pomocí ultrazvuku stimulovat motorickou kůru a spouštět pohyb u živých myší. Tato práce dosud nebyla publikována.
Výzkumníci doufají, že pro tuto novou aplikaci kooptují nástroje vyvinuté pro HIFU. Několik výrobců přístrojů vyvinulo fázová pole ultrazvukových měničů, které umožňují přesné zacílení ultrazvukové energie a které jsou v současné době testovány na odstranění mozkových nádorů. V závislosti na individuální anatomii lebky můžete naprogramovat ultrazvukové zařízení tak, aby spouštělo jednotlivé prvky a dodávalo dobře charakterizovaný paprsek, pokud jde o umístění a velikost, který lze přizpůsobit každému pacientovi, říká Yoo.
Vzhledem k tomu, že zaostřený ultrazvuk je již široce používán, vědci jsou optimističtí, že nebude čelit žádným velkým překážkám při přechodu ke klinickému testování. Pro neurology a neurochirurgy je to dobře zavedená technika, říká Tyler. Bezpečnostní rezervy jsou dobře známé. Dodává Kassell, myslím, že ve skutečnosti bude snazší získat souhlas [než tomu bylo u HIFU], protože tlak zaostřeného ultrazvuku je menší tlak, než jaký dostává mozek z transkraniálního Dopplera, diagnostického zařízení používaného k prohlížení cév v hlavě po mrtvice a krvácení.
Kassell říká, že nadace se nejvíce zajímá o použití nízkofrekvenčního ultrazvuku s nízkou intenzitou pro chirurgické plánování. U pacientů s epilepsií by chirurgové mohli pomocí této technologie dočasně umlčet část mozkové tkáně, která je považována za zodpovědnou za spouštění záchvatů, a potvrdit tak správnou lokalizaci, a poté pomocí HIFU tento kus tkáně odstranit.
Tyler se nejvíce zajímá o použití zaostřeného ultrazvuku pro léčbu Parkinsonovy choroby. Protože to není invazivní, mohli bychom být schopni léčit pacienty mnohem dříve v progresi, říká. Právě teď jsou lidé, kteří dostanou DBS, těmi nejhoršími pacienty.
Zatímco počáteční zařízení by pravděpodobně připomínala menší verzi přístrojů MRI, léčba pacientů s Parkinsonovou chorobou by vyžadovala nositelné nebo implantovatelné zařízení schopné poskytovat nepřetržitou stimulaci. Tylerův tým pracuje na flexibilních ultrazvukových měničích, které by mohly být implantovány na vrchol lebky nebo formulovány do čepice.
Dosud není jasné, jak ultrazvuk spouští elektrickou aktivitu v neuronech, ale někteří věří, že je to prostřednictvím tepelné energie generované zvukovými vlnami. Tyler však říká, že má důkazy, že neurony jsou aktivovány mechanickou energií. Předchozí výzkum skutečně ukázal, že neuronové kanály, které řídí elektrickou aktivitu v mozku, mohou být aktivovány mechanickým tlakem. To, co si myslíme, že se děje, je nějaký druh mikrokavitačního efektu, jako je záření nebo pouhé napětí, které ovlivňují kanály, které řídí nervovou aktivitu, říká.