211service.com
Rikta hjärnan med ljudvågor
Ultraljudsvågor, som för närvarande används inom medicin för prenatala skanningar och andra diagnostiska ändamål, skulle en dag kunna användas som ett icke-invasivt sätt att kontrollera hjärnans aktivitet. Under de senaste två åren har forskare börjat experimentera med lågfrekvent, lågintensivt ultraljud som kan penetrera skallen och aktivera eller tysta hjärnceller. Forskare hoppas att tekniken kan ge ett alternativ till mer invasiva tekniker, såsom djup hjärnstimulering (DBS) och vagusnervstimulering, som används för att behandla ett växande antal neurologiska störningar.
Hjärnvågor : Forskare använder lågintensivt, lågfrekvent ultraljud för att aktivera hjärnan. Aktiverade neuroner i en bit av hjärnvävnad visas här i rött.
När folk har tagit reda på vad de kan göra med DBS och vagusnervstimulering, tror vi att vi kan koppla ur dessa enheter och kontrollera aktivitet från utsidan av kroppen, säger William (Jamie) Tyler , en neuroforskare vid Arizona State University i Tempe. Tyler har startat ett företag som heter SynSonix för att kommersialisera tekniken.
Enheter utformade för att behandla hjärnsjukdomar har ökat i popularitet de senaste åren. DBS, som används för att behandla Parkinsons sjukdom, dystoni och tvångssyndrom, ger en elektrisk stöt till hjärnan via en implanterad elektrod. På grund av dess invasiva karaktär används dock DBS endast för svåra fall som inte går att behandla med medicin. En mindre invasiv teknik är transkraniell magnetisk stimulering (TMS), där en elektrisk spole placerad över huvudet genererar ett magnetfält som passerar genom skallen och exciterar nervceller i hjärnan nedanför. TMS används för att behandla klinisk depression, men det kan bara riktas mot de mer ytliga delarna av hjärnan.
Med ultraljud har vi ett mycket bättre rumsligt fokus än [med] DBS, säger Tyler. Och till skillnad från TMS kan vi komma var som helst i hjärnan. Ultraljud – som består av ljudvågor med en frekvens över 20 kilohertz – har använts i decennier inom medicinen för att avbilda muskler, organ och foster. Under de senaste fem åren har bättre verktyg för att fokusera ultraljudsenergi möjliggjort dess användning som ett ablationsverktyg: kirurger kan nu använda högintensivt, högfrekvent ultraljud (HIFU) för att i huvudsak bränna bort myom. HIFU är också i kliniska tester för behandling av hjärntumörer, brösttumörer och prostatacancer.
Samma verktyg tillåter nu forskare att använda ultraljud för att kontrollera hjärnan, en idé som faktiskt har funnits i årtionden. Bättre ultraljudsgivare, som genererar de akustiska vågorna, möjliggör mer exakt fokusering av ultraljudsenergi. Och magnetisk resonanstomografi (MRI) som används i samband med ultraljud gör att kirurger kan rikta in specifika områden av kroppen mer exakt. Förmågan att gifta sig med fokuserat ultraljud med MR-vägledning [magnetisk resonans] är oerhört kraftfull, säger Neal Kassell , en neurokirurg vid University of Virginia, i Charlottesville, och ordförande för Fokuserad Ultraljudskirurgi Foundation , en ideell organisation baserad i Charlottesville som grundades för att utveckla nya applikationer för fokuserat ultraljud.
En av utmaningarna med att använda ultraljud för att rikta in sig på hjärnan är att lista ut hur man får ljudvågorna genom skallen på ett kontrollerat sätt. Vanligtvis fungerar ultraljud i megahertz- till gigahertz-intervallet – frekvenser som är bra för att passera genom mjukvävnad men som skulle göra benvävnad flytande. (När ben absorberar energin från den akustiska vågen, värms den upp.) Forskare vid Brigham and Women's Hospital i Boston har funnit att en ultraljudsfrekvens på mindre än en megahertz kan göra susen, men med en avvägning: sänk frekvensen, desto svårare är det att fokusera energin på en viss punkt i hjärnan.
Under det senaste året har dock forskare haft viss framgång med att lösa denna kompromiss. Detaljerade bilder av skallen som genereras via CT-skanning och MRI kan hjälpa forskare att beräkna det bästa sättet att fokusera ljudvågorna, säger Seung-Schik Yoo , en neuroforskare vid Brigham and Women's and Harvard Medical School. I ännu opublicerade arbeten har Yoo och hans kollegor visat att lågfrekvent, lågintensiv ultraljud framgångsrikt kan undertrycka visuell aktivitet i kaninernas hjärnor, samt selektivt utlösa aktivitet i den motoriska cortex. Vi tittar också på förmågan att modulera hormoner eller neurotransmittorer, som kan ha tillämpningar för psykiatriska störningar, fetma och beroende, säger Yoo.
I en artikel som publicerades förra året i tidskriften PLoS ETT Tyler visade att lågfrekvent, lågintensivt ultraljud kan aktivera kanaler som sitter i membranet av nervceller i en bit av hjärnvävnad, vilket utlöser cellerna att skicka ett elektriskt meddelande genom den neurala kretsen. Han har sedan dess kunnat använda ultraljud för att stimulera den motoriska cortex och trigga rörelse hos levande möss. Detta arbete har ännu inte publicerats.
Forskare hoppas kunna använda instrument som utvecklats för HIFU för denna nya applikation. Flera instrumentföretag har utvecklat fasade uppsättningar av ultraljudsgivare, som möjliggör exakt inriktning av ultraljudsenergi, och som för närvarande testas för att ta bort hjärntumörer. Beroende på kraniets individuella anatomi kan man programmera ultraljudsutrustningen att avfyra enskilda element för att leverera en välkarakteriserad stråle, vad gäller plats och storlek, som kan skräddarsys för varje patient, säger Yoo.
Eftersom fokuserat ultraljud redan används i stor utsträckning, är forskarna optimistiska att det inte kommer att möta några större hinder för att gå mot kliniska tester. För neurologer och neurokirurger är det en väletablerad teknik, säger Tyler. Säkerhetsmarginalerna är välkända. Tillägger Kassell, jag tror att det faktiskt blir lättare att få godkännande [än det var för HIFU] eftersom trycket från det fokuserade ultraljudet är lägre tryck än hjärnan får från transkraniell Doppler, en diagnostisk anordning som används för att titta på kärl i huvudet efter stroke och blödning.
Kassell säger att stiftelsen är mest intresserad av att använda lågintensivt, lågfrekvent ultraljud för operationsplanering. Hos epilepsipatienter kunde kirurger använda tekniken för att tillfälligt tysta en bit hjärnvävnad som tros vara ansvarig för att utlösa anfall, och på så sätt bekräfta den korrekta lokaliseringen, och sedan använda HIFU för att ta bort den biten av vävnad.
Tyler är mest intresserad av att använda fokuserat ultraljud för att behandla Parkinsons sjukdom. Eftersom det inte är invasivt, kanske vi kan behandla patienter mycket tidigare i progression, säger han. Just nu är människor som får DBS de värsta patienterna.
Medan initiala enheter sannolikt skulle likna en mindre version av MRI-maskiner, skulle behandling av Parkinsonspatienter kräva en bärbar eller implanterbar enhet som kan ge kontinuerlig stimulering. Tylers team arbetar med flexibla ultraljudsgivare som kan implanteras ovanpå skallen eller formuleras till en mössa.
Det är ännu inte klart hur ultraljud utlöser elektrisk aktivitet i neuroner, men vissa tror att det är genom termisk energi som genereras av ljudvågor. Tyler säger dock att han har bevis för att nervcellerna aktiveras genom mekanisk energi. Tidigare forskning har verkligen visat att neuronkanalerna som styr elektrisk aktivitet i hjärnan kan aktiveras med mekaniskt tryck. Det vi tror händer är någon form av mikrokavitationseffekt, som strålning eller ren belastning, som påverkar kanalerna som styr neurala aktivitet, säger han.