211service.com
De hersenen richten met geluidsgolven
Echografiegolven, die momenteel in de geneeskunde worden gebruikt voor prenatale scans en andere diagnostische doeleinden, zouden ooit kunnen worden gebruikt als een niet-invasieve manier om hersenactiviteit te beheersen. In de afgelopen twee jaar zijn wetenschappers begonnen te experimenteren met laagfrequente, lage intensiteit echografie die de schedel kan binnendringen en hersencellen kan activeren of dempen. Onderzoekers hopen dat de technologie een alternatief kan bieden voor meer invasieve technieken, zoals diepe hersenstimulatie (DBS) en nervus vagus, die worden gebruikt om een groeiend aantal neurologische aandoeningen te behandelen.
Hersengolven : Wetenschappers gebruiken ultrageluid met lage intensiteit en lage frequentie om de hersenen te activeren. Geactiveerde neuronen in een stukje hersenweefsel worden hier in rood weergegeven.
Als mensen eenmaal hebben ontdekt wat ze kunnen doen met DBS en nervus vagusstimulatie, denken we dat we die apparaten kunnen loskoppelen en de activiteit van buiten het lichaam kunnen regelen, zegt William (Jamie) Tyler , een neurowetenschapper aan de Arizona State University, in Tempe. Tyler is een bedrijf begonnen genaamd SynSonix om de technologie te commercialiseren.
Apparaten die zijn ontworpen om hersenaandoeningen te behandelen, zijn de afgelopen jaren in populariteit toegenomen. DBS, dat wordt gebruikt voor de behandeling van de ziekte van Parkinson, dystonie en obsessief-compulsieve stoornis, levert een elektrische schok aan de hersenen via een geïmplanteerde elektrode. Vanwege het invasieve karakter wordt DBS echter alleen gebruikt bij ernstige gevallen die niet met medicatie te behandelen zijn. Een minder ingrijpende techniek is transcraniële magnetische stimulatie (TMS), waarbij een elektrische spoel die over het hoofd wordt geplaatst, een magnetisch veld genereert dat door de schedel gaat en neuronen in de onderliggende hersenen opwekt. TMS wordt gebruikt om klinische depressie te behandelen, maar het kan zich alleen richten op de meer oppervlakkige delen van de hersenen.
Met echografie hebben we een veel betere ruimtelijke focus dan [met] DBS, zegt Tyler. En in tegenstelling tot TMS kunnen we overal in de hersenen komen. Echografie, bestaande uit geluidsgolven met een frequentie van meer dan 20 kilohertz, wordt al tientallen jaren in de geneeskunde gebruikt om spieren, organen en foetussen in beeld te brengen. In de afgelopen vijf jaar hebben betere instrumenten voor het focussen van ultrasone energie het gebruik ervan als ablatie-instrument mogelijk gemaakt: chirurgen kunnen nu high-intensity, high-frequency ultrasound (HIFU) gebruiken om baarmoederfibromen in wezen weg te branden. HIFU wordt ook klinisch getest voor de behandeling van hersentumoren, borsttumoren en prostaatkanker.
Met dezelfde hulpmiddelen kunnen wetenschappers nu echografie toepassen om de hersenen te besturen, een idee dat al tientallen jaren bestaat. Betere ultrasone transducers, die de akoestische golven genereren, maken een nauwkeuriger focussering van ultrasone energie mogelijk. En magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) die in combinatie met echografie wordt gebruikt, stelt chirurgen in staat om specifieke delen van het lichaam nauwkeuriger te richten. Het vermogen om gerichte echografie te combineren met MR-geleiding [magnetische resonantie] is buitengewoon krachtig, zegt Neal Kassel , een neurochirurg aan de Universiteit van Virginia, in Charlottesville, en voorzitter van de Stichting Focused Ultrasound Surgery , een in Charlottesville gevestigde non-profitorganisatie die is opgericht om nieuwe toepassingen voor gerichte echografie te ontwikkelen.
Een van de uitdagingen bij het gebruik van echografie om de hersenen te targeten, is uitzoeken hoe de geluidsgolven op een gecontroleerde manier door de schedel kunnen worden gestuurd. Doorgaans werkt echografie in het megahertz tot gigahertz-bereik - frequenties die prima zijn om door zacht weefsel te gaan, maar bot vloeibaar maken. (Omdat bot de energie van de akoestische golf absorbeert, warmt het op.) Onderzoekers van het Brigham and Women's Hospital in Boston hebben ontdekt dat een ultrasone frequentie van minder dan één megahertz de truc kan doen, maar met een afweging: de hoe lager de frequentie, hoe moeilijker het is om de energie op een bepaald punt in de hersenen te concentreren.
In het afgelopen jaar hebben wetenschappers echter enig succes gehad bij het oplossen van deze afweging. Gedetailleerde afbeeldingen van de schedel gegenereerd via CT-scan en MRI kunnen wetenschappers helpen bij het berekenen van de beste manier om de geluidsgolven te concentreren, zegt Seung-Schik Yoo , een neurowetenschapper aan de Brigham and Women's en Harvard Medical School. In nog niet gepubliceerd werk hebben Yoo en zijn collega's aangetoond dat laagfrequente, lage intensiteit echografie met succes de visuele activiteit in de hersenen van konijnen kan onderdrukken en selectief activiteit in de motorische cortex kan activeren. We kijken ook naar het vermogen om hormonen of neurotransmitters te moduleren, die mogelijk van toepassing zijn op psychiatrische stoornissen, obesitas en verslaving, zegt Yoo.
In een artikel dat vorig jaar in het tijdschrift werd gepubliceerd PLoS ONE , toonde Tyler aan dat laagfrequente, lage intensiteit ultrageluid kanalen kan activeren die in het membraan van zenuwcellen in een plakje hersenweefsel zitten, waardoor de cellen een elektrische boodschap door het neurale circuit sturen. Sindsdien kan hij echografie gebruiken om de motorische cortex te stimuleren en beweging teweeg te brengen bij levende muizen. Dit werk is nog niet gepubliceerd.
Onderzoekers hopen instrumenten die voor HIFU zijn ontwikkeld voor deze nieuwe toepassing te coöpteren. Verschillende instrumentfabrikanten hebben gefaseerde arrays van ultrasone transducers ontwikkeld, waarmee ultrasone energie nauwkeurig kan worden gericht, en die momenteel worden getest voor het verwijderen van hersentumoren. Afhankelijk van de individuele anatomie van de schedel, kun je de ultrasone apparatuur programmeren om afzonderlijke elementen af te vuren om een goed gekarakteriseerde straal te leveren, in termen van locatie en grootte, die op maat kan worden gemaakt voor elke patiënt, zegt Yoo.
Omdat gerichte echografie al op grote schaal wordt gebruikt, zijn onderzoekers optimistisch dat het geen grote hindernissen zal tegenkomen bij de overgang naar klinische tests. Voor neurologen en neurochirurgen is het een gevestigde techniek, zegt Tyler. De veiligheidsmarges zijn bekend. Voegt Kassell toe, ik denk dat het eigenlijk gemakkelijker zal zijn om goedkeuring te krijgen [dan het was voor HIFU] omdat de druk van de gerichte echografie minder druk is dan de hersenen krijgen van transcraniële Doppler, een diagnostisch apparaat dat wordt gebruikt om naar bloedvaten in het hoofd te kijken na beroerte en bloeding.
Kassell zegt dat de stichting het meest geïnteresseerd is in het gebruik van ultrageluid met lage intensiteit en lage frequentie voor chirurgische planning. Bij epilepsiepatiënten zouden chirurgen de technologie kunnen gebruiken om tijdelijk een stuk hersenweefsel tot zwijgen te brengen waarvan wordt aangenomen dat het verantwoordelijk is voor het veroorzaken van aanvallen, waardoor de juiste lokalisatie wordt bevestigd, en vervolgens HIFU gebruiken om dat stuk weefsel weg te nemen.
Tyler is het meest geïnteresseerd in het gebruik van gerichte echografie voor de behandeling van de ziekte van Parkinson. Omdat het niet invasief is, kunnen we patiënten mogelijk veel eerder in de progressie behandelen, zegt hij. Op dit moment zijn mensen die DBS krijgen de patiënten in het slechtste geval.
Hoewel de initiële apparaten waarschijnlijk lijken op een kleinere versie van MRI-machines, zou voor de behandeling van Parkinsonpatiënten een draagbaar of implanteerbaar apparaat nodig zijn dat continue stimulatie kan leveren. Het team van Tyler werkt aan flexibele ultrasone transducers die bovenop de schedel kunnen worden geïmplanteerd of in een dop kunnen worden verwerkt.
Het is nog niet duidelijk hoe ultrageluid elektrische activiteit in neuronen veroorzaakt, maar sommigen geloven dat dit gebeurt door thermische energie die wordt gegenereerd door geluidsgolven. Tyler zegt echter dat hij bewijs heeft dat de neuronen worden geactiveerd door mechanische energie. Eerder onderzoek heeft inderdaad aangetoond dat de neuronkanalen die de elektrische activiteit in de hersenen aansturen, geactiveerd kunnen worden met mechanische druk. Wat we denken dat er gebeurt, is een soort microcavitatie-effect, zoals straling of pure spanning, die de kanalen aantast die de neurale activiteit regelen, zegt hij.