Mit Schallwellen auf das Gehirn zielen

Ultraschallwellen, die derzeit in der Medizin für pränatale Scans und andere diagnostische Zwecke verwendet werden, könnten eines Tages als nicht-invasive Methode zur Kontrolle der Gehirnaktivität eingesetzt werden. In den letzten zwei Jahren haben Wissenschaftler begonnen, mit niederfrequentem Ultraschall niedriger Intensität zu experimentieren, der den Schädel durchdringen und Gehirnzellen aktivieren oder zum Schweigen bringen kann. Die Forscher hoffen, dass die Technologie eine Alternative zu invasiveren Techniken wie der Tiefenhirnstimulation (DBS) und der Vagusnervstimulation darstellen könnte, die zur Behandlung einer wachsenden Zahl neurologischer Erkrankungen eingesetzt werden.





Gehirnwellen : Wissenschaftler verwenden niederfrequenten Ultraschall mit niedriger Intensität, um das Gehirn zu aktivieren. Aktivierte Neuronen in einem Hirngewebeschnitt sind hier rot dargestellt.

Sobald die Leute herausgefunden haben, was sie mit DBS und Vagusnervstimulation tun können, denken wir, dass wir diese Geräte ausstecken und die Aktivität von außerhalb des Körpers kontrollieren können, sagt William (Jamie) Tyler , einem Neurowissenschaftler an der Arizona State University in Tempe. Tyler hat ein Unternehmen namens SynSonix gegründet, um die Technologie zu kommerzialisieren.

Geräte zur Behandlung von Gehirnerkrankungen haben in den letzten Jahren an Popularität gewonnen. DBS, das zur Behandlung der Parkinson-Krankheit, Dystonie und Zwangsstörung eingesetzt wird, gibt über eine implantierte Elektrode einen elektrischen Stoß an das Gehirn ab. Aufgrund seiner invasiven Natur wird DBS jedoch nur bei schweren Fällen eingesetzt, die mit Medikamenten nicht behandelbar sind. Eine weniger invasive Technik ist die transkranielle Magnetstimulation (TMS), bei der eine über dem Kopf platzierte elektrische Spule ein Magnetfeld erzeugt, das durch den Schädel geht und Neuronen im darunter liegenden Gehirn anregt. TMS wird zur Behandlung klinischer Depressionen eingesetzt, kann jedoch nur auf die oberflächlicheren Teile des Gehirns abzielen.

Mit Ultraschall haben wir einen viel besseren räumlichen Fokus als [mit] DBS, sagt Tyler. Und im Gegensatz zu TMS können wir im Gehirn überall hinkommen. Ultraschall – bestehend aus Schallwellen mit einer Frequenz über 20 Kilohertz – wird in der Medizin seit Jahrzehnten zur Abbildung von Muskeln, Organen und Föten eingesetzt. In den letzten fünf Jahren haben bessere Werkzeuge zur Fokussierung der Ultraschallenergie seine Verwendung als Ablationswerkzeug ermöglicht: Chirurgen können jetzt hochintensiven Hochfrequenz-Ultraschall (HIFU) verwenden, um Uterusmyome im Wesentlichen zu verbrennen. HIFU befindet sich auch in der klinischen Erprobung zur Behandlung von Hirntumoren, Brusttumoren und Prostatakrebs.

Dieselben Werkzeuge ermöglichen es Wissenschaftlern nun, Ultraschall zur Steuerung des Gehirns einzusetzen, eine Idee, die es tatsächlich schon seit Jahrzehnten gibt. Bessere Ultraschallwandler, die die akustischen Wellen erzeugen, ermöglichen eine genauere Fokussierung der Ultraschallenergie. Und die Magnetresonanztomographie (MRT) in Verbindung mit Ultraschall ermöglicht es Chirurgen, bestimmte Bereiche des Körpers genauer zu erfassen. Die Fähigkeit, fokussierten Ultraschall mit MR-Führung [Magnetresonanz] zu kombinieren, ist außerordentlich leistungsstark, sagt Neal Kassell , Neurochirurg an der University of Virginia in Charlottesville und Vorsitzender des Stiftung für fokussierte Ultraschallchirurgie , eine gemeinnützige Organisation mit Sitz in Charlottesville, die gegründet wurde, um neue Anwendungen für fokussierten Ultraschall zu entwickeln.

Eine der Herausforderungen bei der Verwendung von Ultraschall zum Zielen des Gehirns besteht darin, herauszufinden, wie die Schallwellen kontrolliert durch den Schädel geleitet werden können. Normalerweise arbeitet Ultraschall im Megahertz- bis Gigahertz-Bereich – Frequenzen, die für das Durchdringen von Weichteilen geeignet sind, aber den Knochen verflüssigen würden. (Wenn der Knochen die Energie der Schallwelle absorbiert, erwärmt er sich.) Forscher am Brigham and Women's Hospital in Boston haben herausgefunden, dass eine Ultraschallfrequenz von weniger als einem Megahertz ausreichen kann, aber mit einem Kompromiss: Senken Sie die Frequenz, desto schwieriger ist es, die Energie auf einen bestimmten Punkt im Gehirn zu fokussieren.

Im vergangenen Jahr ist es Wissenschaftlern jedoch gelungen, diesen Kompromiss zu lösen. Detaillierte Bilder des Schädels, die mittels CT-Scan und MRT erstellt wurden, können Wissenschaftlern helfen, den besten Weg zur Fokussierung der Schallwellen zu berechnen, sagt Seung-Schik Yoo , Neurowissenschaftlerin an der Brigham and Women’s und der Harvard Medical School. In einer noch unveröffentlichten Arbeit haben Yoo und seine Kollegen gezeigt, dass niederfrequenter Ultraschall mit niedriger Intensität die visuelle Aktivität im Gehirn von Kaninchen erfolgreich unterdrücken und selektiv Aktivitäten im motorischen Kortex auslösen kann. Wir untersuchen auch die Fähigkeit, Hormone oder Neurotransmitter zu modulieren, die bei psychiatrischen Erkrankungen, Fettleibigkeit und Sucht Anwendung finden könnten, sagt Yoo.

In einem im letzten Jahr in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel Plus eins , zeigte Tyler, dass niederfrequenter Ultraschall mit niedriger Intensität Kanäle aktivieren kann, die in der Membran von Nervenzellen in einem Stück Hirngewebe sitzen, und die Zellen dazu veranlassen, eine elektrische Nachricht durch den neuronalen Schaltkreis zu senden. Seitdem ist er in der Lage, mit Ultraschall bei lebenden Mäusen den motorischen Kortex zu stimulieren und Bewegungen auszulösen. Diese Arbeit wurde noch nicht veröffentlicht.

Forscher hoffen, für HIFU entwickelte Instrumente für diese neue Anwendung übernehmen zu können. Mehrere Instrumentenhersteller haben Phased-Arrays von Ultraschallwandlern entwickelt, die eine präzise Ausrichtung der Ultraschallenergie ermöglichen und derzeit auf die Entfernung von Hirntumoren getestet werden. Abhängig von der individuellen Anatomie des Schädels können Sie die Ultraschallgeräte so programmieren, dass sie einzelne Elemente abfeuern, um einen hinsichtlich Ort und Größe gut charakterisierten Strahl zu liefern, der auf jeden Patienten zugeschnitten werden kann, sagt Yoo.

Da fokussierter Ultraschall bereits in großem Umfang eingesetzt wird, sind die Forscher optimistisch, dass es keine größeren Hürden auf dem Weg zur klinischen Prüfung geben wird. Für Neurologen und Neurochirurgen ist es eine etablierte Technik, sagt Tyler. Die Sicherheitsmargen sind bekannt. Kassell fügt hinzu, ich denke, es wird tatsächlich einfacher sein, eine Zulassung zu bekommen [als für HIFU], weil der Druck des fokussierten Ultraschalls geringer ist als der Druck des Gehirns durch den transkraniellen Doppler, ein Diagnosegerät, das verwendet wird, um Gefäße im Kopf danach zu untersuchen Schlaganfall und Blutung.

Kassell sagt, dass die Stiftung vor allem daran interessiert sei, niederfrequenten Ultraschall mit niedriger Intensität für die Operationsplanung einzusetzen. Bei Epilepsiepatienten könnten Chirurgen die Technologie verwenden, um ein Stück Hirngewebe, von dem angenommen wird, dass es für die Auslösung von Anfällen verantwortlich ist, vorübergehend zum Schweigen zu bringen und so die korrekte Lokalisation zu bestätigen, und dann HIFU verwenden, um dieses Gewebestück zu entfernen.

Tyler ist am meisten daran interessiert, fokussierten Ultraschall zur Behandlung der Parkinson-Krankheit einzusetzen. Da es nicht invasiv ist, könnten wir Patienten möglicherweise viel früher behandeln, sagt er. Im Moment sind Menschen, die DBS bekommen, die Patienten mit dem schlimmsten Fall.

Während die ersten Geräte wahrscheinlich einer kleineren Version von MRT-Geräten ähneln würden, würde die Behandlung von Parkinson-Patienten ein tragbares oder implantierbares Gerät erfordern, das eine kontinuierliche Stimulation liefern kann. Tylers Team arbeitet an flexiblen Ultraschallwandlern, die auf den Schädel implantiert oder zu einer Kappe formuliert werden könnten.

Es ist noch nicht klar, wie Ultraschall elektrische Aktivität in Neuronen auslöst, aber einige glauben, dass dies durch thermische Energie geschieht, die von Schallwellen erzeugt wird. Tyler sagt jedoch, er habe Beweise dafür, dass die Neuronen durch mechanische Energie aktiviert werden. Frühere Forschungen haben in der Tat gezeigt, dass die Nervenkanäle, die die elektrische Aktivität im Gehirn steuern, durch mechanischen Druck aktiviert werden können. Was unserer Meinung nach passiert, ist eine Art Mikrokavitationseffekt wie Strahlung oder bloße Belastung, die die Kanäle beeinflussen, die die neuronale Aktivität steuern, sagt er.

verbergen