211service.com
Målretning mod hjernen med lydbølger
Ultralydsbølger, der i øjeblikket bruges i medicin til prænatale scanninger og andre diagnostiske formål, kunne en dag bruges som en ikke-invasiv måde at kontrollere hjerneaktivitet på. I løbet af de sidste to år er forskere begyndt at eksperimentere med lavfrekvent ultralyd med lav intensitet, der kan trænge ind i kraniet og aktivere eller dæmpe hjerneceller. Forskere håber, at teknologien kan være et alternativ til mere invasive teknikker, såsom dyb hjernestimulation (DBS) og vagusnervestimulering, som bruges til at behandle et stigende antal neurologiske lidelser.
Hjernebølger : Forskere bruger lav-intensitet, lavfrekvent ultralyd til at aktivere hjernen. Aktiverede neuroner i et stykke hjernevæv er vist her med rødt.
Når folk har fundet ud af, hvad de kan gøre med DBS og vagusnervestimulering, tror vi, at vi kan tage stikket ud af disse enheder og kontrollere aktivitet uden for kroppen, siger William (Jamie) Tyler , neuroforsker ved Arizona State University i Tempe. Tyler har startet et firma kaldet SynSonix for at kommercialisere teknologien.
Enheder designet til at behandle hjernesygdomme er vokset i popularitet i de seneste år. DBS, som bruges til at behandle Parkinsons sygdom, dystoni og obsessiv-kompulsiv lidelse, afgiver et elektrisk stød til hjernen via en implanteret elektrode. På grund af dets invasive karakter bruges DBS dog kun til alvorlige tilfælde, der ikke kan behandles med medicin. En mindre invasiv teknik er transkraniel magnetisk stimulation (TMS), hvor en elektrisk spole placeret over hovedet genererer et magnetfelt, der passerer gennem kraniet og exciterer neuroner i hjernen nedenfor. TMS bruges til at behandle klinisk depression, men det kan kun målrettes mod de mere overfladiske dele af hjernen.
Med ultralyd har vi et meget bedre rumligt fokus end [med] DBS, siger Tyler. Og i modsætning til TMS kan vi komme overalt i hjernen. Ultralyd – bestående af lydbølger med en frekvens over 20 kilohertz – er blevet brugt i årtier i medicin til at afbilde muskler, organer og fostre. I de sidste fem år har bedre værktøjer til at fokusere ultralydsenergi gjort det muligt at bruge det som et ablationsværktøj: kirurger kan nu bruge høj-intensitet, højfrekvent ultralyd (HIFU) til i det væsentlige at brænde livmoderfibromer væk. HIFU er også i klinisk test til behandling af hjernetumorer, brysttumorer og prostatacancer.
De samme værktøjer giver nu videnskabsmænd mulighed for at anvende ultralyd for at kontrollere hjernen, en idé, der faktisk har eksisteret i årtier. Bedre ultralydstransducere, som genererer de akustiske bølger, muliggør mere præcis fokusering af ultralydsenergi. Og magnetisk resonansbilleddannelse (MRI), der bruges i forbindelse med ultralyd, giver kirurger mulighed for at målrette specifikke områder af kroppen mere præcist. Evnen til at gifte sig med fokuseret ultralyd med MR-vejledning [magnetisk resonans] er overordentlig stærk, siger Neal Kassell , en neurokirurg ved University of Virginia i Charlottesville og formand for Fokuseret Ultralydskirurgi Foundation , en nonprofit baseret i Charlottesville, der blev grundlagt for at udvikle nye applikationer til fokuseret ultralyd.
En af udfordringerne ved at bruge ultralyd til at målrette hjernen er at finde ud af, hvordan man får lydbølgerne gennem kraniet på en kontrolleret måde. Typisk opererer ultralyd i megahertz- til gigahertz-området – frekvenser, der er fine til at passere gennem blødt væv, men ville gøre knoglerne flydende. (Når knogler absorberer energien fra den akustiske bølge, varmes den op.) Forskere ved Brigham and Women's Hospital i Boston har fundet ud af, at en ultralydsfrekvens på mindre end en megahertz kan gøre tricket, men med en afvejning: sænke frekvensen, jo sværere er det at fokusere energien på et bestemt punkt i hjernen.
I det seneste år har forskere dog haft en vis succes med at løse denne afvejning. Detaljerede billeder af kraniet genereret via CT-scanning og MR kan hjælpe forskere med at beregne den bedste måde at fokusere lydbølgerne på, siger Seung-Schik Yoo , neuroforsker ved Brigham and Women's and Harvard Medical School. I endnu upubliceret arbejde har Yoo og hans kolleger vist, at lavfrekvent ultralyd med lav intensitet med succes kan undertrykke visuel aktivitet i kaninernes hjerner samt selektivt udløse aktivitet i den motoriske cortex. Vi ser også på evnen til at modulere hormoner eller neurotransmittere, som kan have anvendelse for psykiatriske lidelser, fedme og afhængighed, siger Yoo.
I et papir udgivet sidste år i tidsskriftet PLoS ONE Tyler demonstrerede, at lavfrekvent ultralyd med lav intensitet kan aktivere kanaler, der sidder i membranen af nerveceller i et stykke hjernevæv, hvilket udløser cellerne til at sende en elektrisk besked gennem det neurale kredsløb. Han har siden været i stand til at bruge ultralyd til at stimulere den motoriske cortex og udløse bevægelse hos levende mus. Dette værk er endnu ikke offentliggjort.
Forskere håber at co-optere instrumenter udviklet til HIFU til denne nye applikation. Adskillige instrumentvirksomheder har udviklet fasede arrays af ultralydstransducere, som muliggør præcis målretning af ultralydsenergi, og som i øjeblikket testes for fjernelse af hjernetumorer. Afhængig af kraniets individuelle anatomi kan du programmere ultralydsudstyret til at affyre individuelle elementer for at levere en velkarakteriseret stråle, hvad angår placering og størrelse, som kan skræddersyes til hver patient, siger Yoo.
Fordi fokuseret ultralyd allerede bruges i vid udstrækning, er forskerne optimistiske om, at det ikke vil stå over for nogen større forhindringer i retning af klinisk testning. For neurologer og neurokirurger er det en veletableret teknik, siger Tyler. Sikkerhedsmarginerne er velkendte. Tilføjer Kassell, jeg tror faktisk, det vil være nemmere at få godkendelse [end det var for HIFU], fordi trykket fra den fokuserede ultralyd er mindre tryk, end hjernen får fra transkraniel Doppler, en diagnostisk enhed, der bruges til at se på kar i hovedet efter slagtilfælde og blødning.
Kassell siger, at fonden er mest interesseret i at bruge lav-intensitet, lavfrekvent ultralyd til kirurgisk planlægning. Hos epilepsipatienter kunne kirurger bruge teknologien til midlertidigt at dæmpe et stykke hjernevæv, der menes at være ansvarligt for at udløse anfald, og dermed bekræfte den korrekte lokalisering og derefter bruge HIFU til at fjerne det stykke væv.
Tyler er mest interesseret i at bruge fokuseret ultralyd til behandling af Parkinsons sygdom. Da det ikke er invasivt, kan vi måske behandle patienter meget tidligere i progressionen, siger han. Lige nu er folk, der får DBS, de værste patienter.
Mens de første enheder sandsynligvis vil ligne en mindre version af MR-maskiner, vil behandling af Parkinsons patienter kræve en bærbar eller implanterbar enhed, der er i stand til at levere kontinuerlig stimulation. Tylers team arbejder på fleksible ultralydstransducere, der kan implanteres oven på kraniet eller formuleres til en hætte.
Det er endnu ikke klart, hvordan ultralyd udløser elektrisk aktivitet i neuroner, men nogle mener, at det er gennem termisk energi genereret af lydbølger. Tyler siger dog, at han har beviser for, at neuronerne aktiveres gennem mekanisk energi. Tidligere forskning har nemlig vist, at neuronkanalerne, der styrer den elektriske aktivitet i hjernen, kan aktiveres med mekanisk tryk. Det, vi tror, der sker, er en form for mikrokavitationel effekt, såsom stråling eller ren belastning, som påvirker de kanaler, der styrer neural aktivitet, siger han.