Звукові хвилі лікування мозку

Застосування ультразвуку може стати неінвазивним та новим способом контролю за мозковою діяльністю.

звукові

  • Емілі Сінгер | переклад Франциско Рейєс (Opinno)
  • 04 червня 2009 р

Ультразвукові хвилі, які зараз використовуються для пренатального сканування та іншої діагностики, одного дня можуть бути використані як неінвазивний спосіб моніторингу мозкової діяльності. Протягом останніх двох років вчені почали експериментувати з ультразвуком низької інтенсивності та низькою частотою, здатним проникати в череп та активувати або глушити клітини мозку. Дослідники сподіваються, що ця технологія послужить альтернативою більш інвазивним методам, таким як глибока стимуляція мозку (DBS) та стимуляція блукаючого нерва, які використовуються для лікування все більшої кількості неврологічних розладів.

"Як тільки люди зрозуміли, що вони можуть зробити із ДБС та стимуляцією блукаючого нерва, ми думаємо, що можемо відключити ці пристрої та контролювати активність ззовні тіла", - говорить Вільям (Джеймі) Тайлер, невролог з Університету штату Арізона, Темпе. Тайлер щойно заснував компанію під назвою SynSonix для комерціалізації цієї технології.

Пристрої, що використовуються для лікування розладів мозку, за останні роки зросли в популярності. DBS, який використовується для лікування хвороби Паркінсона, дистонії та обсесивно-компульсивного розладу, виробляє електричний удар в мозку через імплантований електрод. Однак, враховуючи свою інвазивну природу, DBS можна застосовувати лише у важких випадках, які не піддаються лікуванню за допомогою ліків. Менш інвазивною технікою є транскраніальна магнітна стимуляція (ТМС), при якій над головою розміщується електрична котушка, яка генерує магнітне поле. Це поле проходить через череп і активує мозкові нейрони знизу. TMS використовується для лікування клінічної депресії, хоча він здатний охопити лише найбільш поверхневі ділянки мозку.

"Завдяки ультразвуку ми маємо набагато кращий просторовий фокус, ніж у DBS", - говорить Тайлер. "І на відміну від TMS, ми можемо досягти будь-якої області мозку". Ультразвук, що складається із звукових хвиль з частотою понад 20 кілогерц, використовується десятки років у медицині для створення зображень м’язів, органів та плодів. За останні п’ять років вдосконалення інструментів фокусування енергії ультразвуку дозволило використовувати його як інструмент абляції: сьогодні хірурги використовують високоінтенсивне високочастотне ультразвукове дослідження (HIFU), щоб по суті спалити і змусити міому матки зникнути. HIFU також використовується в клінічних випробуваннях для лікування пухлин головного мозку, пухлин молочної залози та раку простати.

Ці самі інструменти тепер дозволяють вченим застосовувати ультразвук для моніторингу мозку - ідея, яка формується десятки років. Покращення ультразвукових перетворювачів, які генерують акустичні хвилі, дозволяють більш точно фокусувати енергію ультразвуку. Магнітно-резонансна томографія (МРТ), що використовується в поєднанні з ультразвуком, дозволяє хірургам більш точно орієнтувати конкретні ділянки тіла. "Здатність поєднати фокус ультразвуку з керівництвом МРТ [магнітно-резонансна томографія] дійсно потужна", - говорить Ніл Касселл, нейрохірург Університету Вірджинії в Шарлоттсвіллі і президент Фонду зосередженої ультразвукової хірургії, Шарлотсвілль. некомерційна асоціація, заснована для розробки нових додатків для сфокусованого ультразвуку.

Однією з проблем використання ультразвуку для досягнення мозку є контрольоване проходження хвиль через череп. Як правило, ультразвук працює в діапазоні мегагерц до гігагерц - частоти, які плавно проходять крізь м’які тканини, але зріджують кістки. (Оскільки кістка поглинає енергію звукової хвилі, вона стає теплішою.) Дослідники з лікарні Біргам для жінок у Бостоні виявили, що найкраще використовувати частоту ультразвуку менше одного мегагерца, хоча вона має негативну: чим нижче частота, тим складніше сфокусувати енергію на певній точці мозку.

Однак за останній рік вчені досягли певних успіхів у вирішенні цієї проблеми. Використовуючи деталізовані зображення мозку за допомогою КТ та МРТ, вчені можуть більш точно розрахувати, як сфокусувати звукові хвилі, каже Сунг-Шік Ю, невролог з Гарвардської медичної школи та жіночої лікарні Бригама. У дослідженні, яке ще не було опубліковане, Ю та його колеги показали, що ультразвук низької інтенсивності та низької частоти може успішно пригнічувати зорову активність у мозку кроликів, а також викликати селективні реакції в руховій корі. "Ми також розглядаємо можливість модулювати гормони або нейромедіатори, які можуть знайти застосування при психічних розладах, ожирінні та звиканні", - говорить Ю.

У дослідженні, опублікованому минулого року в журналі PLoS ONE, Тайлер продемонстрував, що ультразвук низької інтенсивності може активувати канали, розташовані в мембрані нервових клітин в межах ділянки мозкової тканини, змушуючи клітини надсилати електричні повідомлення через нейронну ланцюг . З тих пір Тайлер може використовувати ультразвук для стимуляції рухової кори і викликати рух у живих мишей. Це дослідження ще не опубліковано.

Дослідники сподіваються, що в підсумку зможуть використовувати інструменти, розроблені для HIFU у цьому новому додатку. Деякі компанії-виробники приладів розробили серію ультразвукових перетворювачів фазового масиву, які дозволяють більш точно фокусувати енергію ультразвуку, і які зараз перевіряються на видалення пухлин головного мозку. "Залежно від індивідуальної анатомії черепа, ви можете запрограмувати ультразвукове обладнання на запуск окремих елементів, які розподіляють чітко визначений промінь, з точки зору розташування та розміру, і які можуть бути адаптовані залежно від кожного пацієнта", - говорить Ю.

Оскільки сфокусоване ультразвукове дослідження є широко застосовуваним методом сьогодні, дослідники впевнені, що воно не натрапить на занадто багато перешкод на шляху до клінічних випробувань. "Для неврологів та нейрохірургів це дуже усталена техніка", - говорить Тайлер. "Межі безпеки добре відомі". Касселл додає: "Я думаю, що насправді буде простіше отримати схвалення [ніж це було при HIFU], оскільки тиск від сфокусованого ультразвуку менше, ніж той, що отримує мозок від транскраніального доплерографії, діагностичного пристрою, який використовується для перевірки судин в мозку після інсульту та інсульту ".

Касселл каже, що фонд в основному зацікавлений у використанні низькоінтенсивного ультразвуку низької частоти для планування хірургічних процедур. У пацієнтів з епілепсією хірурги можуть використовувати цю технологію для тимчасового заглушення ділянки мозкової тканини, яка, як вважається, відповідальна за причину судом, підтвердивши правильне місце розташування, а потім перейшовши до абляції за допомогою HIFU.

Тайлер більше зацікавлений у використанні сфокусованого ультразвуку для лікування хвороби Паркінсона. "Оскільки воно не є інвазивним, ми можемо лікувати пацієнтів до прогресування захворювання", - говорить він. "В даний час пацієнти, яких ми лікуємо з DBS, є найважчими випадками".

Незважаючи на те, що ці початкові пристрої дуже нагадували зменшену версію апаратів для МРТ, для лікування пацієнтів з Паркінсоном було б потрібно використовувати імплантований або носяться пристрій, здатний генерувати постійну стимуляцію. Команда Тайлера працює над гнучкими ультразвуковими датчиками, які можна імплантувати поверх черепа або розмістити у формі ковпачка.

Поки незрозуміло, як ультразвук породжує електричну активність у нейронах, хоча є й ті, хто вважає, що саме через теплову енергію звукові хвилі викликають. Однак Тайлер зазначає, що є докази того, що нейрони активуються завдяки механічній енергії. Попередні дослідження фактично вказують на те, що нервові канали, що контролюють електричну активність мозку, можуть активуватися механічним тиском. "Те, що, на наш погляд, відбувається, це якийсь мікрокавітаційний ефект, такий як випромінювання або стрес, який впливає на канали, що контролюють нейрональну активність", - говорить він.