Мозъчни лечения със звукови вълни

Използването на ултразвук може да се превърне в неинвазивен и нов начин за наблюдение на мозъчната дейност.

звукови

  • от Емили Сингър | преведено от Франсиско Рейес (Opinno)
  • 04 юни 2009 г.

Ултразвуковите вълни, които сега се използват за пренатални сканирания и друга диагностика, могат един ден да се използват като неинвазивен начин за наблюдение на мозъчната дейност. През последните две години учените започнаха да експериментират с нискоинтензивен, нискочестотен ултразвук, способен да проникне в черепа и да активира или заглуши мозъчните клетки. Изследователите се надяват, че тази технология ще служи като алтернатива на по-инвазивните техники, като дълбока мозъчна стимулация (DBS) и стимулация на блуждаещия нерв, които се използват за лечение на все по-голям брой неврологични разстройства.

„След като хората са разбрали какво могат да направят с DBS и стимулация на блуждаещия нерв, ние смятаме, че можем да изключим тези устройства и да контролираме дейността извън тялото“, казва Уилям (Джейми) Тайлър, невролог от Държавния университет в Аризона, Темпе. Тайлър току-що стартира компания, наречена SynSonix, за да комерсиализира тази технология.

Устройствата, използвани за лечение на мозъчни разстройства, нарастват популярността си през последните години. DBS, който се използва за лечение на болестта на Паркинсон, дистония и обсесивно-компулсивно разстройство, предизвиква токов удар в мозъка чрез имплантиран електрод. Въпреки това, предвид инвазивния си характер, DBS може да се използва само в тежки случаи, които не се лекуват с лекарства. По-малко инвазивна техника е транскраниалната магнитна стимулация (TMS), при която над главата се поставя електрическа намотка, която генерира магнитно поле. Това поле преминава през черепа и активира мозъчните неврони отдолу. TMS се използва за лечение на клинична депресия, въпреки че е в състояние да достигне само до най-повърхностните области на мозъка.

„Благодарение на ултразвука имаме много по-добър пространствен фокус, отколкото при DBS“, казва Тайлър. "И за разлика от TMS, ние можем да достигнем до всяка област на мозъка." Ултразвукът - който се състои от звукови вълни с честота по-голяма от 20 килогерца - се използва от десетилетия в медицината за създаване на образи на мускули, органи и плодове. През последните пет години подобрението на инструментите за фокусиране на ултразвукова енергия направи възможно използването му като инструмент за аблация: днес хирурзите използват високоинтензивен, високочестотен ултразвук (HIFU), за да изгорят по същество и да изчезнат миомите на матката. HIFU се използва и в клинични изпитвания за лечение на мозъчни тумори, тумори на гърдата и рак на простатата.

Същите тези инструменти сега позволяват на учените да прилагат ултразвук за наблюдение на мозъка, идея, която се създава от десетилетия. Подобренията, направени на ултразвуковите преобразуватели, които генерират акустични вълни, позволяват по-прецизен фокус на ултразвуковата енергия. Магнитно-резонансната томография (ЯМР), използвана в комбинация с ултразвук, позволява на хирурзите да насочват по-точно определени области на тялото. „Способността да се обвърже фокусът на ултразвука с насоки, предоставени от ЯМР [ядрено-магнитен резонанс] е наистина мощна“, казва Нийл Касел, неврохирург от Университета на Вирджиния, Шарлотсвил и президент на Фондацията за фокусирана ултразвукова хирургия, Шарлотсвил базирана сдружение с нестопанска цел, създадено за разработване на нови приложения за фокусиран ултразвук.

Едно от предизвикателствата при използването на ултразвук за достигане до мозъка е контролирано прокарване на вълните през черепа. Обикновено ултразвукът работи в мегагерцовия до гигагерцовия диапазон - честоти, които плавно преминават през меките тъкани, но биха втечнили костите. (Тъй като костта абсорбира енергията от звуковата вълна, тя става по-топла.) Изследователи от болницата за жени в Биргам в Бостън са открили, че е най-добре да се използва ултразвукова честота по-малка от един мегагерц, въпреки че има една отрицателна страна: долната честотата, толкова по-трудно е да се фокусира енергията върху определена точка в мозъка.

През изминалата година обаче учените постигнаха известен успех в решаването на този проблем. Използвайки подробни изображения на мозъка от CT сканирания и ЯМР, учените могат по-точно да изчислят как да фокусират звуковите вълни, казва Seung-Schik Yoo, невролог в Харвардското медицинско училище и женската болница Brigham. В изследване, което предстои да бъде публикувано, Yoo и неговите колеги са показали, че ултразвукът с ниска интензивност и ниска честота може успешно да потисне зрителната активност в заешкия мозък, както и да провокира селективни реакции в моторната кора. „Обмисляме и способността да модулираме хормони или невротрансмитери, които биха могли да намерят приложение при психиатрични разстройства, затлъстяване и пристрастяване“, казва Yoo.

В изследване, публикувано миналата година в списанието PLoS ONE, Тайлър демонстрира, че нискоинтензивният, нискочестотен ултразвук може да активира канали, разположени в мембраната на нервните клетки в част от мозъчната тъкан, карайки клетките да изпращат електрически съобщения през нервната верига . Оттогава Тайлър е в състояние да използва ултразвук, за да стимулира моторната кора и да предизвика движение на живи мишки. Това проучване все още не е публикувано.

Изследователите се надяват, че в крайна сметка ще използват инструменти, разработени за HIFU в това ново приложение. Някои компании за производство на инструменти са разработили серия от ултразвукови преобразуватели с фазов масив, които позволяват по-прецизно фокусиране на ултразвуковата енергия и които в момента се тестват за отстраняване на мозъчни тумори. "В зависимост от индивидуалната анатомия на черепа, можете да програмирате ултразвуковото оборудване да изстрелва отделни елементи, които разпределят добре дефиниран лъч, по отношение на местоположението и размера и които могат да бъдат пригодени в зависимост от всеки пациент", казва Yoo.

Тъй като фокусираният ултразвук е широко използвана техника днес, изследователите са оптимисти, че няма да се сблъска с прекалено много препятствия по пътя си към клинични изпитвания. „За невролозите и неврохирурзите това е много утвърдена техника“, казва Тайлър. „Границите на безопасност са добре известни.“ Касел добавя: „Мисля, че всъщност ще бъде по-лесно да получим одобрение [отколкото беше при HIFU], тъй като налягането от фокусирания ултразвук е по-малко от това, което мозъкът получава от транскраниален доплер, диагностично устройство, което се използва за проверка на кръвоносните съдове в мозъка след инсулт и инсулт. "

Касел казва, че фондацията се интересува най-вече от използването на ултразвук с ниска интензивност и ниска честота за планиране на хирургични процедури. При пациенти с епилепсия хирурзите могат да използват технологията за временно заглушаване на област от мозъчна тъкан, за която се смята, че е отговорна за причиняването на гърчовете, потвърждавайки правилното местоположение и след това аблирайки я с помощта на HIFU.

Тайлър се интересува повече от използването на фокусиран ултразвук за лечение на болестта на Паркинсон. „Тъй като не е инвазивно, може да успеем да лекуваме пациенти, преди болестта да прогресира“, казва той. "В момента пациентите, които лекуваме с DBS, са най-тежките случаи."

Въпреки че тези първоначални устройства много приличат на умалена версия на ЯМР машини, лечението на пациенти с Паркинсон ще изисква използването на имплантируемо или носимо устройство, способно да генерира постоянна стимулация. Екипът на Тайлър работи върху гъвкави ултразвукови преобразуватели, които могат да бъдат имплантирани върху черепа или поставени под формата на капачка.

Все още не е ясно как ултразвукът генерира електрическа активност в невроните, въпреки че има хора, които вярват, че звуковите вълни причиняват именно чрез топлинна енергия. Тайлър обаче посочва, че има доказателства, че невроните се активират чрез механична енергия. Предишни проучвания всъщност показват, че невронните канали, които контролират електрическата активност в мозъка, могат да бъдат активирани чрез механично налягане. "Това, което смятаме, че се случва, е някакъв вид микрокавитационен ефект, като радиация или стрес, който засяга каналите, които контролират невроналната активност", казва той.