Fókuszált hanghullámokkal és hologramokkal vezérlik az agyi áramköröket
Egy új kutatás során először sikerült vizuálisan igazolni, hogy élő állatok agyi áramkörei specifikus mintákba (hologramokba) vetített ultrahanghullámokkal aktiválhatók.
A New York-i Langone Health, a Zürichi Egyetem és a svájci Szövetségi Műszaki Főiskola (ETH) tudósai által vezetett kutatás egy olyan rendszert ír le, amely ultrahanghullámok forrásait és egy kamerához csatlakoztatott száloptikát kombinál abból a célból, hogy a kísérletben használt egerek agyában vizualizálja a hang által közvetlenül aktivált célpontokat. A tanulmány szerzői szerint ez megalapozza egy olyan új módszer alkalmazását, amely a testen kívülről képes kezelni a neurológiai betegségeket és a mentális egészségügyi rendellenességeket.
Már léteznek olyan, az USA-beli Élelmiszer- és Gyógyszerügyi Hivatal (FDA) által jóváhagyott alkalmazások, amelyek a Parkinson-kórban jelentkező remegés tüneteit csökkenteni hivatottak azáltal, hogy intenzív hanghullámok segítségével elpusztítják a remegéssel kapcsolatos idegpályákon található neuronokat. A kutatók szerint a jelenlegi kísérletekben használt alacsony intenzitású ultrahanghullámok nem pusztítják el a neuronokat, csak ideiglenesen aktiválják őket. Az így elérhető hatás széles körű lehet, mivel a neuronok üzeneteket továbbítanak a saját áramköreiken belül és a velük összekapcsolt idegpályák között.
A koponyán át történő (transzkraniális) ultrahang stimuláció (TUS) nevű technológia hatását élő agyban közvetlenül megfigyelni nehéz, viszont laboratóriumi körülmények között, tenyésztőedényben vizsgált idegsejtekkel végzett kutatások nem tükrözik pontosan, hogy az ultrahanghullámok hogyan haladnak át a koponyán, illetve hogyan viselkednek háromdimenziós szövetekben. A TUS terápiás kezelés biztonságos és hatékony alkalmazásához a kutatók szerint az ultrahanghullámoknak meghatározott agyi területeket kell megcélozniuk, és úgy kell kalibrálni őket, hogy a jel elég erős legyen ahhoz, hogy áthatoljon a koponyán, viszont ne legyen olyan erős, hogy károsítsa a finom agyszövetet.
A Nature Biomedical Engineering online folyóiratban megjelent tanulmányban bemutatott kísérleteket élő agyban végezték, és azok pontosan megmutatták, hogy az agy egy részében aktivált idegsejt hogyan képes messzemenő hatást gyakorolni a kapcsolódó áramkörökön keresztül. „Munkánk megmutatta, hogy élő egér agyában koponyán keresztül történő ultrahang stimulációval teljes ideghálózatok aktiválása lehetséges” – mondta a kutatás társszerzője, Shy Shoham, Ph.D. aki a NYU Langone Health Tech4Health Intézetének társigazgatója, valamint a NYU Grossman School of Medicine szemészeti és idegtudományi tanszékének professzora.„Azt is megállapítottuk, hogy a TUS az egyes regionális idegsejtek helyett az agyi régiókban elhelyezkedő idegsejt-áramkörökre fókuszálva kihasználja az áramkörök közötti összekapcsolódásokat, így a célzott idegsejtek tízszer érzékenyebbek lesznek az ultrahangra.Ez a felfedezés nemcsak a technika hatékonyságát növeli, hanem a szükséges ultrahang teljesítményt is csökkenti, és utat nyithat a jövőben a koponyán keresztül történő ultrahang stimuláció biztonságosabb kezelési lehetőségeinek.”
Az ép agyban zajló áramkör-aktivitás tanulmányozásához a kutatóknak több agyi régiót kellett hanghullámokkal stimulálniuk, miközben folyamatosan figyelemmel kísérték, hogy mely idegsejtek aktiválódnak a folyamat során. Shy Shoham és Daniel Razansky, Ph.D., (a másik társszerző a Zürichi Egyetem és a svájci Szövetségi Műszaki Főiskola kutatója) irányítása alatt a kutatók az egér feje fölé helyeztek egy sisak alakú, ultrahang-kibocsátó készüléket, amelyet a svájci csapat fejlesztett ki. A kutatócsoport hologramokat hozott létre az ultrahanghullámokból, ugyanúgy, ahogy az egymást kölcsönösen befolyásoló fényhullámok háromdimenziós képeket hoznak létre (mint Leia hercegnő a Csillagok háborúja filmekben).
Az egymással megfelelő módon interferáló hanghullámok szintén képesek „képeket” létrehozni – ebben az esetben lényegében a sugárzókból érkező hanghullámokat meghatározott geometriai mintákba, például háromszögekbe vagy ötszögekbe rendezik az agy felületén. Ahogy a hologram által fókuszált régiókban az idegsejtek aktiválódtak, fluoreszkáló jelet termeltek, amelyet a kamera rögzített, így a kutatók mérni tudták, hogy a TUS hatására az agy különböző régiói milyen mértékben aktiválódtak.
„Kutatási eredményeink új lehetőségeket nyújtanak arra, hogy megértsük, hogyan aktiválja a koponyán keresztül történő ultrahang stimuláció az élő szervezetben található áramköröket” – mondta Shoham. „Reméljük, hogy az általunk kifejlesztett technikák és számítógépes modellek segítenek más alapkutatóknak is a különböző agyi áramkörök mechanizmusainak feltárásában. Végső soron célunk, hogy ezt a módszert koponyán át történő ultrahang stimulációs protokollokká alakítsuk különböző emberi betegségek, például mentális egészségügyi rendellenességek kezelésére.”
A kutatók a jövőben komplexebb idegáramkörök aktiválását szeretnék vizsgálni, és azt, hogy mélyebben elhelyezkedő agyi áramköröket is aktiválni lehet-e ultrahang segítségével. Néhány ilyen alkalmazást már klinikai körülmények között is tesztelnek.