Mirare al cervello con le onde sonore

Le onde ultrasoniche, attualmente utilizzate in medicina per le scansioni prenatali e altri scopi diagnostici, potrebbero un giorno essere utilizzate come un modo non invasivo per controllare l'attività cerebrale. Negli ultimi due anni, gli scienziati hanno iniziato a sperimentare con ultrasuoni a bassa frequenza e bassa intensità che possono penetrare nel cranio e attivare o silenziare le cellule cerebrali. I ricercatori sperano che la tecnologia possa fornire un'alternativa a tecniche più invasive, come la stimolazione cerebrale profonda (DBS) e la stimolazione del nervo vago, che vengono utilizzate per trattare un numero crescente di disturbi neurologici.

Onde cerebrali : Gli scienziati stanno usando ultrasuoni a bassa intensità e bassa frequenza per attivare il cervello. I neuroni attivati ​​in una fetta di tessuto cerebrale sono mostrati qui in rosso.

Una volta che le persone hanno scoperto cosa possono fare con la DBS e la stimolazione del nervo vago, pensiamo di poter scollegare quei dispositivi e controllare l'attività dall'esterno del corpo, afferma William (Jamie) Tyler , neuroscienziato dell'Arizona State University, a Tempe. Tyler ha avviato una società chiamata SynSonix per commercializzare la tecnologia.

I dispositivi progettati per trattare i disturbi cerebrali sono cresciuti in popolarità negli ultimi anni. La DBS, che viene utilizzata per trattare il morbo di Parkinson, la distonia e il disturbo ossessivo-compulsivo, fornisce una scossa elettrica al cervello tramite un elettrodo impiantato. A causa della sua natura invasiva, tuttavia, la DBS viene utilizzata solo per casi gravi non trattabili con i farmaci. Una tecnica meno invasiva è la stimolazione magnetica transcranica (TMS), in cui una bobina elettrica posta sopra la testa genera un campo magnetico che passa attraverso il cranio ed eccita i neuroni nel cervello sottostante. La TMS è usata per trattare la depressione clinica, ma può colpire solo le parti più superficiali del cervello.

Con gli ultrasuoni, abbiamo una messa a fuoco spaziale molto migliore rispetto a [con] DBS, afferma Tyler. E a differenza della TMS, possiamo arrivare ovunque nel cervello. Gli ultrasuoni, costituiti da onde sonore con una frequenza superiore a 20 kilohertz, sono stati utilizzati per decenni in medicina per l'immagine di muscoli, organi e feti. Negli ultimi cinque anni, strumenti migliori per focalizzare l'energia ultrasonica hanno consentito il suo utilizzo come strumento di ablazione: i chirurghi possono ora utilizzare ultrasuoni ad alta intensità e alta frequenza (HIFU) per bruciare essenzialmente i fibromi uterini. HIFU è anche in fase di test clinici per il trattamento di tumori cerebrali, tumori al seno e cancro alla prostata.

Questi stessi strumenti ora consentono agli scienziati di applicare gli ultrasuoni per controllare il cervello, un'idea che esiste da decenni. Migliori trasduttori a ultrasuoni, che generano le onde acustiche, consentono una messa a fuoco più precisa dell'energia degli ultrasuoni. E la risonanza magnetica (MRI) utilizzata in combinazione con gli ultrasuoni consente ai chirurghi di mirare a specifiche aree del corpo in modo più preciso. La capacità di coniugare gli ultrasuoni focalizzati con la guida MR [risonanza magnetica] è estremamente potente, afferma Neal Kassell , neurochirurgo presso l'Università della Virginia, a Charlottesville, e presidente del Fondazione per la chirurgia ad ultrasuoni focalizzata , un'organizzazione senza scopo di lucro con sede a Charlottesville, fondata per sviluppare nuove applicazioni per gli ultrasuoni focalizzati.

Una delle sfide nell'uso degli ultrasuoni per colpire il cervello è capire come far passare le onde sonore attraverso il cranio in modo controllato. In genere, gli ultrasuoni operano nell'intervallo da megahertz a gigahertz, frequenze che vanno bene per il passaggio attraverso i tessuti molli ma liquefacerebbero l'osso. (Poiché l'osso assorbe l'energia dell'onda acustica, si riscalda.) I ricercatori del Brigham and Women's Hospital, a Boston, hanno scoperto che una frequenza degli ultrasuoni inferiore a un megahertz può fare il trucco, ma con un compromesso: il più bassa è la frequenza, più è difficile focalizzare l'energia su un punto particolare del cervello.

Nell'ultimo anno, tuttavia, gli scienziati hanno avuto un certo successo nel risolvere questo compromesso. Immagini dettagliate del cranio generate tramite TAC e risonanza magnetica possono aiutare gli scienziati a calcolare il modo migliore per focalizzare le onde sonore, afferma Seung-Schik Yoo , neuroscienziato alla Brigham and Women's e alla Harvard Medical School. In un lavoro non ancora pubblicato, Yoo e i suoi colleghi hanno dimostrato che gli ultrasuoni a bassa frequenza e bassa intensità possono sopprimere con successo l'attività visiva nel cervello dei conigli, nonché attivare selettivamente l'attività nella corteccia motoria. Stiamo anche esaminando la capacità di modulare gli ormoni o i neurotrasmettitori, che possono avere applicazione per i disturbi psichiatrici, l'obesità e la dipendenza, afferma Yoo.

In un articolo pubblicato l'anno scorso sulla rivista PLoS UNO , Tyler ha dimostrato che gli ultrasuoni a bassa frequenza e bassa intensità possono attivare i canali che si trovano nella membrana delle cellule nervose in una fetta di tessuto cerebrale, attivando le cellule per inviare un messaggio elettrico attraverso il circuito neurale. Da allora è stato in grado di utilizzare gli ultrasuoni per stimolare la corteccia motoria e innescare il movimento nei topi vivi. Questo lavoro non è stato ancora pubblicato.

I ricercatori sperano di cooptare strumenti sviluppati per HIFU per questa nuova applicazione. Diverse aziende di strumenti hanno sviluppato array a fasi di trasduttori a ultrasuoni, che consentono un preciso targeting dell'energia degli ultrasuoni e che sono attualmente in fase di test per la rimozione dei tumori cerebrali. A seconda dell'anatomia individuale del cranio, è possibile programmare l'apparecchiatura a ultrasuoni per sparare singoli elementi per fornire un raggio ben caratterizzato, in termini di posizione e dimensioni, che può essere personalizzato per ciascun paziente, afferma Yoo.

Poiché gli ultrasuoni focalizzati sono già ampiamente utilizzati, i ricercatori sono ottimisti sul fatto che non dovranno affrontare grandi ostacoli nel passaggio ai test clinici. Per neurologi e neurochirurghi, è una tecnica consolidata, afferma Tyler. I margini di sicurezza sono ben noti. Aggiunge Kassell, penso che in realtà sarà più facile ottenere l'approvazione [rispetto all'HIFU] perché la pressione degli ultrasuoni focalizzati è inferiore a quella che il cervello riceve dal Doppler transcranico, un dispositivo diagnostico utilizzato per guardare i vasi nella testa dopo ictus ed emorragia.

Kassell afferma che la fondazione è più interessata all'uso di ultrasuoni a bassa intensità e bassa frequenza per la pianificazione chirurgica. Nei pazienti con epilessia, i chirurghi potrebbero utilizzare la tecnologia per silenziare temporaneamente un pezzo di tessuto cerebrale ritenuto responsabile dell'attivazione delle convulsioni, confermando così la corretta localizzazione, e quindi utilizzare l'HIFU per ablare quel pezzo di tessuto.

Tyler è molto interessato all'uso degli ultrasuoni focalizzati per il trattamento del morbo di Parkinson. Dal momento che non è invasivo, potremmo essere in grado di trattare i pazienti molto prima nella progressione, dice. In questo momento, le persone che ottengono la DBS sono i pazienti peggiori.

Mentre i dispositivi iniziali probabilmente assomiglierebbero a una versione più piccola delle macchine per la risonanza magnetica, il trattamento dei pazienti con Parkinson richiederebbe un dispositivo indossabile o impiantabile in grado di fornire una stimolazione continua. Il team di Tyler sta lavorando su trasduttori a ultrasuoni flessibili che potrebbero essere impiantati sopra il cranio o formulati in un cappuccio.

Non è ancora chiaro come gli ultrasuoni attivino l'attività elettrica nei neuroni, ma alcuni credono che sia attraverso l'energia termica generata dalle onde sonore. Tyler, tuttavia, afferma di avere le prove che i neuroni vengono attivati ​​​​attraverso l'energia meccanica. Precedenti ricerche hanno infatti dimostrato che i canali neuronali che controllano l'attività elettrica nel cervello possono essere attivati ​​con una pressione meccanica. Quello che pensiamo stia accadendo è una sorta di effetto microcavitazionale, come la radiazione o la pura tensione, che colpisce i canali che controllano l'attività neurale, dice.

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