Sound' science tilbyder platform til hjernebehandling og manipulation


Sound' science tilbyder platform til hjernebehandling og manipulation

Evnen til at diagnosticere og behandle hjerne dysfunktion uden kirurgi kan stole på en ny metode til ikke-invasiv hjerne stimulering ved hjælp af pulserende ultralyd udviklet af et team af forskere ledet af William "Jamie" Tyler, en neuroscientist ved Arizona State University. Den tilgang, der blev offentliggjort i tidsskriftet Neuron den 9. juni, viser, at pulserende ultralyd ikke blot stimulerer aktionspotentialer i intakt motorcortex hos mus, men det "fremkalder også motorresponser, der kan sammenlignes med dem, der kun tidligere er opnået med implanterede elektroder og beslægtede teknikker", siger Yusuf Tufail, hovedforfatteren fra ASU's School of Life Sciences.

Andre teknikker som transcranial magnetisk og dyb hjerne stimulering, elektrokonvulsiv chokterapi og transcraniel likestrøm stimulering anvendes til behandling af en række hjerne dysfunktioner, herunder epilepsi, Parkinsons sygdom, kronisk smerte, koma, dystoni, psykoser og depression. Imidlertid lider de fleste af disse tilgange af "kritiske svagheder", siger Tyler, herunder krav til operation, lav rumlig opløsning eller genetiske manipulationer. Optogenetik er for eksempel en state-of-the-art teknologi, der fusionerer gener fra planter og andre organismer med dyrets intakte hjerner til at tilbyde kontrol over neuralkredsløb.

"Forskere har i mere end 80 år kendt, at ultralyd kan påvirke nervens aktivitet", bemærker Tufail. "Pionerer på dette område sendte ultralyd til neurale væv forud for stimulering med traditionelle elektroder, der krævede invasive procedurer. Disse undersøgelser viste, at ultralydsforbehandlinger kunne Gøre nerver mere eller mindre uundværlige som reaktion på elektrisk stimulering.

"I vores undersøgelse brugte vi dog ultralyd alene til direkte at stimulere handlingspotentialer og drive intakt hjerneaktivitet uden at foretage nogen form for operation," siger Tufail.

"Det er fascinerende at se disse effekter på første hånd," tilføjer han. Tufail er en af ​​fire ph.d.-studerende i ASU's Life Sciences School, som arbejdede sammen med Tyler på projektet. Teamet omfattede også Alexei Matyushov, en fysik bachelorstudent i ASUs Barrett Honours College, der arbejder sammen med Tyler, og Nathan Baldwin, en ph.d.-studerende i bioteknologi, og assistent professor Stephen Helms Tillery med ASU's Ira A. Fulton Engineering School.

"Vi vidste fra nogle af vores tidligere arbejde, at ultralyd direkte kunne stimulere handlingspotentialer i retter, der indeholder skiver hjernevæv," siger Tyler. "At flytte til at transmittere ultralyd gennem huden og kraniet for at stimulere den intakte hjerne inde i et levende dyr udgjorde en meget Større udfordring."

På trods af sådanne udfordringer viser undersøgelsen, hvordan ultralyd kan bruges til at stimulere hjerne kredsløb med millimeter rumlig opløsning. "Vi er kommet langt fra observationerne fra Scribonius Largus, en romersk læge i det 1. århundrede e.Kr., som satte elektrisk torpedo fisk på Hovedpine lider 'pande til at lette deres smerte, "Tyler quips." Vores metode baner vejen for at bruge lydbølger til at studere og manipulere hjernens funktion, samt at diagnosticere og behandle dens dysfunktion."

Ud over at fremme håb om ikke-invasive behandlinger af hjerneskade og sygdom, afslørede gruppernes eksperimenter i dybere subkortiske hjerne kredsløb også, at ultralyd kan være nyttigt til at ændre kognitive evner.

"Vi var overrasket over at finde de ultralydaktiverede hjernebølger i hippocampus kendt som skarpe bølgeregler," siger Tufail. "Disse hjerneaktivitetsmønstre er kendt for at understøtte visse adfærdsmæssige tilstande og dannelsen af ​​minder."

Forskerne fandt også, at ultralyd stimulerede produktionen af ​​hjerneafledt neurotrofisk faktor (BDNF) i hippocampus - en af ​​de mest potente regulatorer af hjernens plasticitet.

Tyler siger, at ultralyd kan bruges til at stimulere aktionspotentialer, meningsfulde hjernebølgeaktivitetsmønstre, og BDNF fører ham til at tro på, at ultralyd vil være nyttigt til at forbedre kognitiv ydeevne i fremtiden; Måske endda i behandlingen af ​​kognitive handicap såsom mental retardation eller Alzheimers sygdom.

Tylers elever har også indsamlet data, der tyder på, at gentagen eksponering for ultralyd med lav intensitet ikke udgør en sundhedsrisiko for gnavere. "Vi undersøgte mange aspekter af hjernens sundhed efter stimulering og fandt ud af, at ultralyd med lav intensitet er sikker for gentagne gange at stimulere hjernen hos mus, "Noterede Anna Yoshihiro, en doktorand for neurovidenskab i ASU's College of Liberal Arts and Sciences og medforfatter af tidsskriftartikelen. Yoshihiro arbejder for at behandle Parkinsonske aber og har opnået en vis tidlig succes i behandling af epileptiske anfald hos mus ved hjælp af ultralyd neuromodulation.

Monica Li Tauchmann, Yoshihiros samtidige og medforfatter på artiklen, minder om den første gang metoden fungerede: "Jeg var med til at hjælpe med eksperimenter. Vi forsøgte at stimulere hjernen hos en levende mus med ultralyd. Der skete ikke meget hos Først. Derefter ændrede Dr. Tyler nogle af ultralydbølgeformparametrene, og musen begyndte at bevæge os. Vi tilbragte resten af ​​dagen gentaget stimuleringen, og musen var helt fint. Den kom tilbage fra bedøvelse som om der ikke var sket noget. Var alle forbavsede."

Tyler mener, at der er et væld af potentielle anvendelser til ultralyd i hjernemanipulation. Udover grundlæggende videnskabelige og medicinske anvendelser repræsenterer ultralyd en kerneplatform, hvor fremtidige hjernemaskins grænseflader også kan designes til spil, underholdning og kommunikationsformål på grund af dets ikke-invasive karakter.

"Rumrejser, håndholdte computere, internettet og global positionering - ikke engang levetid siden var disse ting bare science fiction. I dag er de almindelige," siger Tyler. "Måske vil næste generation af sociale underholdningsnet indebære downloading Tilpassede oplysninger eller erfaringer fra personlige computerskyer, mens de kodes i hjernen ved hjælp af ultralyd. Jeg ser ingen grund til at udelukke denne mulighed."

"For at være ærlig," tilføjer han, "vi ved simpelthen ikke, hvor langt vi kan skubbe konvolutten. Derfor henviser mange til hjernen som den sidste grænse - vi har stadig meget at lære."

Kilde: Arizona State University

The Choice is Ours Official Full Version (Video Medicinsk Og Professionel 2021).

Afsnit Spørgsmål På Medicin: Medicinsk praksis