Новое ультразвуковое устройство может стимулировать несколько сетей мозга

Впервые новая ультразвуковая техника позволяет исследователям одновременно стимулировать несколько участков мозга.

Это открывает в будущем новые возможности для лечения разрушительных заболеваний головного мозга, таких как болезни Альцгеймера, Паркинсона и депрессия.

первая фотография человека в настоящее время обычно проводится УЗИ в утробе матери. Но технология способна на гораздо большее. Физиотерапевты уже давно используют ультразвук для нагрева тканей тела, а хирурги-онкологи используют ультразвук высокой интенсивности (и тепло, которое он генерирует внутри тела) для разрушения опухолей.

В течение последнего десятилетия ученые также исследовали, как ультразвук низкой интенсивности можно использовать для целенаправленного воздействия на нейронную активность мозга. Первые клинические испытания уже направлены на то, чтобы проверить, может ли эта «нейромодуляция» помочь облегчить симптомы болезни Альцгеймера, эпилепсии или тряски у пациентов с тремором.

Теперь исследователям из ETH Zurich, Цюрихского университета и Нью-Йоркского университета удалось улучшить технику ультразвуковой стимуляции мозга.

Ученые разработали устройство, которое впервые позволяет им одновременно стимулировать три или до пяти точно определенных точек мозга, как они продемонстрировали в своем исследовании. До сих пор это было возможно лишь в некоторой степени — и с гораздо меньшей точностью.

«Учитывая, что мозг работает в сетях, легче активировать или подавлять мозговую сеть, если стимулировать ее в нескольких точках одновременно», — объясняет Дэниел Разански, профессор ETH Zurich и Цюрихского университета. Разанский руководил работой вместе с коллегой из Нью-Йоркского университета.

В этом методе нейромодуляция осуществляется через череп, помещая устройство на макушку головы. Это неинвазивный метод — другими словами, нет необходимости в краниотомии или каком-либо другом хирургическом вмешательстве.

Исследователи провели нейромодуляцию на мышах в лаборатории. Для этого они поместили голову мыши в центр колпака, оснащенного несколькими сотнями ультразвуковых датчиков, разработанных исследователями.

С помощью сложной электроники стимуляции эти датчики генерируют короткие ультразвуковые импульсы таким образом, что ультразвуковые волны интерферируют друг с другом внутри мозга. Принцип аналогичен голограмме, внешне трехмерному изображению, создаваемому взаимодействием световых волн. В новом методе, разработанном исследователями из Цюриха и Нью-Йорка, отдельные фокусные точки создаются путем наложения большого количества ультразвуковых волн.

Модулируя сети мозга в нескольких местах одновременно, исследователи могут работать с более низкой интенсивностью ультразвука по сравнению с одноточечной стимуляцией.

«Чем менее интенсивно ультразвук, тем безопаснее этот процесс для мозга», — объясняет Разанский.

Более ранние подходы к ультразвуковой нейромодуляции часто страдали эффектом «все или ничего»: если ультразвук был слишком слабым, он не имел никакого эффекта, тогда как чрезмерно высокая интенсивность приводила к неконтролируемому возбуждению всего мозга, что влекло за собой риск его повреждения. Более того, интенсивный ультразвук может вызвать повреждение сосудов и другие нежелательные эффекты перегрева головного мозга или черепа.

Фокусированные ультразвуковые импульсы низкой интенсивности оказывают кратковременное действие, включающее кратковременное повышение температуры в очаговой области. Более того, считается, что они также влияют на белки каналов, которые находятся на поверхности нейронов и контролируют транспорт ионов в клетки и из них. Какие механизмы способствуют активации и торможению нейронов – и в какой степени – это то, что исследователям еще предстоит подробно изучить.

Новый метод можно использовать не только для активации сетей мозга, но и для одновременной визуализации этой активации с помощью визуализации, чтобы исследователи могли сразу увидеть, какие сети были активированы.

Самое последнее исследование, которое исследователи опубликовали в журнале Природная биомедицинская инженерияслужил для разработки технологии и не был нацелен на медицинское применение.

Это исследование и сотрудничество с исследователями из Нью-Йоркского университета в основном финансировались Национальными институтами здравоохранения США. Поскольку это агентство в настоящее время находится под политическим давлением и больше не предоставляет финансирование международным партнерам по исследованиям, исследователи в настоящее время не могут продолжать свое сотрудничество в тех же рамках, объясняет Разанский. Однако он хотел бы продолжить работу в меру своих возможностей, используя другие источники финансирования.

Далее исследователи хотят сосредоточиться на применении и тестировании технологии на различных моделях заболеваний головного мозга у животных. Помимо болезни Альцгеймера, тремора и эпилепсии, другие потенциальные медицинские применения включают лечение депрессии, Паркинсона и восстановление после инсульта.

«В наших исследованиях мы полагаемся на животных», — говорит Разански. “Невозможно будет исследовать эти разработки на такой ранней стадии на людях. Сначала нам нужно научиться контролировать вмешательство и гарантировать, что оно безопасно и эффективно для лечения заболеваний головного мозга”.

Группа Разанского специализируется на разработке методов ультразвуковой и оптической визуализации, в частности, в аспектах системной инженерии, экспериментальных методах и анализе данных. Коллеги из Нью-Йорка поделились своим опытом в области нейробиологии. Разработка устройства и эксперименты проходили в Цюрихе.

Источник: Университет Цюриха