Нейромодуляция включает ряд терапевтических подходов для облегчения симптомов, таких как боль или тремор, или для восстановления движения или функции. Терапевтическая стимуляция нейронов электрической энергией или химическими веществами - и, возможно, акустическими волнами - может усиливать или ослаблять нейронные импульсы в мозге или теле. Акустические сигналы в форме ультразвука представляют собой многообещающий класс нейромодуляции, который был бы особенно ценным подходом, поскольку он неинвазивен - не требуется хирургической процедуры имплантации электродов для стимуляции. Ультразвук предлагает временную модуляцию, которую можно настроить для достижения желаемого эффекта. Теперь исследователи продемонстрировали, что он может быть нацелен на нейроны с определенными функциями.
Команда, возглавляемая Бин Хе, доктором философии, профессором биомедицинской инженерии в Университете Карнеги-Меллона и частично финансируемая Национальным институтом биомедицинской визуализации и биоинженерии (NIBIB), продемонстрировала потенциал подхода нейромодуляции, который использует низкоэнергетические методы. интенсивность ультразвуковой энергии, называемая транскраниальным сфокусированным ультразвуком или tFUS. В статье, опубликованной в выпуске Nature Communications от 4 мая 2021 года, авторы описывают tFUS в экспериментах с грызунами, которые демонстрируют альтернативу неинвазивной нейромодуляции.
«Транскраниально сфокусированный ультразвук - многообещающий подход, который, среди прочего, может быть использован для лечения форм хронической боли», - сказала Мория Биттманн, доктор философии, директор программы NIBIB в Biorobotic Systems. «В условиях, когда симптомы включают изнуряющую боль, генерируемые извне ультразвуковые импульсы контролируемой частоты и интенсивности могут подавлять болевые сигналы».
Для своих исследований он и его команда разработали сборку, включающую ультразвуковой преобразователь и устройство, которое записывает данные от нейронных сигналов, названное многоэлектродной решеткой. Во время экспериментов с анестезированными грызунами исследователи проникали в череп и мозг с помощью различных коротких импульсов акустических волн , нацеленных на определенные нейроны в коре головного мозга. Они одновременно регистрировали изменение электрофизиологических сигналов от разных типов нейронов с помощью многоэлектродной матрицы.
Когда от одного нейрона к другому передается сигнал, задействующий органы чувств или контролирующий движение, передача этого сигнала через синапс или соединение между нейронами называется спайком. Исследователи наблюдали два типа нейронов - возбуждающие и тормозящие нейроны. Когда исследователи использовали tFUS для излучения повторяющихся импульсов ультразвуковой стимуляции непосредственно на возбуждающие нейроны, они наблюдали повышенную частоту импульсов или спайк. Они наблюдали, что тормозящие нейроны, подвергшиеся воздействию той же энергии tFUS, не проявляли значительного нарушения частоты спайков. Исследование продемонстрировало, что ультразвуковой сигнал может передаваться через череп, чтобы избирательно активировать определенные субпопуляции нейронов, нацеливаясь на нейроны с различными функциями.
«Наше исследование направлено на неудовлетворенную потребность в разработке нетоксичных, не вызывающих привыкания, нефармакологических методов лечения для людей» , - сказал он. «Мы надеемся на дальнейшее развитие подхода tFUS с вариациями ультразвуковых частот и на изучение активности нейронов, чтобы эта технология имела оптимальные шансы на пользу здоровью мозга».
Применение этого исследования имеет широкие последствия; это не ограничивается одной болезнью. Он считает, что для многих людей, страдающих от боли, депрессии и зависимости, неинвазивная нейромодуляция tFUS может быть использована для облегчения лечения. «Если мы сможем локализовать и нацелить области мозга с помощью акустической, ультразвуковой энергии, я считаю, что мы потенциально сможем лечить множество неврологических и психиатрических заболеваний и состояний», - сказал он.
Редакторы Nature Communications также выбрали эту статью для специальной статьи под названием « От мозга к поведению », которая включает в себя одни из самых захватывающих работ о мозге, опубликованных в этом году журналом.
