Лаборатория He Lab Университета Карнеги-Меллона специализируется на неинвазивных решениях в области нейроинженерии, которые не только предоставляют диагностические методы, но и предлагают инновационные методы лечения. Их последнее исследование продемонстрировало, что неинвазивная нейромодуляция с помощью низкоинтенсивного ультразвука может иметь селективность клеточного типа при манипулировании нейронами.
Болезнь Паркинсона, эпилепсия и бессонница — это лишь некоторые из неврологических расстройств, при которых сегодня используются методы лечения нейромодуляции. Нейромодуляция обеспечивает контролируемую физическую энергию нервной системы для лечения и улучшения качества жизни пациентов. Современные подходы к нейромодуляции, хотя и эффективны, имеют как недостатки, так и ограничения.
«Глубокая стимуляция мозга, которая является весьма успешной, но инвазивной формой электрической стимуляции с помощью имплантированных электродов, является одним из примеров того, как нейромодуляция используется сегодня в клинических условиях», — пояснил Бин Хе, профессор биомедицинской инженерии в Университете Карнеги-Меллона. «Медицинские работники также использовали неинвазивную транскраниальную магнитную стимуляцию и стимуляцию транскраниальным током, оба из которых не обладают способностью конкретно фокусироваться на уровне нервных цепей. Моя группа заинтересована в том, чтобы помочь разработать более эффективную и полностью неинвазивную альтернативу».
Транскраниальный сфокусированный ультразвук низкой интенсивности, или tFUS, является новой и полностью обратимой технологией нейромодуляции. Он неинвазивный, точный и не требует хирургического вмешательства. Во время нейромодуляции tFUS импульсная механическая энергия передается через череп с высоким пространственным разрешением и избирательностью в целевые области мозга , которыми можно управлять, чтобы вызвать активацию или торможение с помощью настройки параметров.
Эффекты транскраниальной сфокусированной ультразвуковой стимуляции: а) возбуждающие нейроны (RSU) реагируют на частоту повторения ультразвуковых импульсов; б) Тормозящие нейроны (FSU) не реагируют на частоту повторения ультразвуковых импульсов. Предоставлено: инженерный колледж Университета Карнеги-Меллона.
В работе, недавно опубликованной в Nature Communications , группа Хэ впервые продемонстрировала, что определенные типы клеток могут быть нацелены с помощью нейромодуляции tFUS. Их исследование показало, что возбуждающие нейроны показали высокую чувствительность к частоте повторения ультразвуковых импульсов, в то время как тормозные нейроны — нет.
Это открытие важно, поскольку оно демонстрирует первую возможность неинвазивного метода нейромодуляции для модуляции выбранной клеточной субпопуляции с использованием метода, который может быть напрямую переведен для использования человеком . Благодаря продемонстрированной способности tFUS активировать возбуждающие или тормозящие нейроны, будущие приложения могут привести к точному нацеливанию на цепи мозга с использованием сфокусированной ультразвуковой энергии, а также к активации или ингибированию выбранных подгрупп нейронов путем настройки параметров ультразвука.
«В результате нашего исследования мы получили прямые доказательства того, что разные популяции нейронов неодинаково реагируют на ультразвуковую стимуляцию в мозге», — сказал Кай Ю, соавтор статьи и научный сотрудник лаборатории Хэ в Университете Карнеги-Меллона. «Мы определили критический параметр стимуляции, который может регулировать баланс между возбуждающей и тормозящей нейрональной активностью, и мы провели тщательные контрольные эксперименты, чтобы подтвердить эти ценные открытия нейробиологии».
Более пристальный взгляд на неинвазивную сфокусированную ультразвуковую нейромодуляцию нейронов, специфичных для клеточного типа. Предоставлено: инженерный колледж Университета Карнеги-Меллона.
Применение этого исследования имеет широкие последствия; это не ограничивается одной болезнью. Он считает, что для многих людей, страдающих от боли, депрессии и сложностей, 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. «Этот вариант лечения имеет большой потенциал изменить то, что врачи изучают в медицинской школе, и перейти к практике. Конечно, неинвазивный, точный, реверсивный вариант лечения также дает бесконечные преимущества для пациентов. Моя мечта — сделать все неинвазивным. »
Его следующая цель — дальнейшее развитие технологии нейромодуляции tFUS с повышенным пространственным разрешением и фокусностью, а также непосредственная проверка применимости tFUS для лечения состояний мозга у людей.
Источник: