Η διέγερση του εγκεφάλου, όπως η βαθιά εγκεφαλική διέγερση (DBS), είναι ένας ισχυρός τρόπος για τη θεραπεία νευρολογικών και ψυχιατρικών διαταραχών. Ενώ έχει προσφέρει θεραπευτικό όφελος για τους πάσχοντες από Πάρκινσον, Αλτσχάιμερ και εθισμό για περισσότερο από μια δεκαετία, ο υποκείμενος νευρικός μηχανισμός του δεν είναι ακόμη πλήρως κατανοητός.
Τεχνολογία και νευρολογικές διαταραχές
Οι ερευνητές του Ινστιτούτου Εγκεφάλου του Κουίνσλαντ (QBI) είναι τώρα ένα βήμα πιο κοντά στην αποκάλυψη του μυστηρίου της εγκεφαλικής δραστηριότητας για να κατανοήσουν καλύτερα αυτόν τον μηχανισμό και ενδεχομένως να προβλέψουν τα αποτελέσματα του DBS. Ο εγκέφαλος είναι ένα εξαιρετικά πολύπλοκο δίκτυο κυκλωμάτων οργανωμένων ιεραρχικά με ευρέως φάσματος συνδέσεις. Οι συνδέσεις πηγαίνουν σε διαφορετικές κατευθύνσεις, προς τα εμπρός και προς τα πίσω, και μεταξύ νευρώνων που είναι είτε διεγερτικοί – οι επιταχυντές μιας απόκρισης – είτε ανασταλτικοί – τα φρένα που τροποποιούν μια απόκριση.
«Ας πούμε ότι θέλετε να κουνήσετε το χέρι σας – μόλις εκκινηθεί αυτό το σήμα, αναμένουμε ότι η δραστηριότητα που ακολουθεί εξαρτάται από τα νευρωνικά δίκτυα του εγκεφάλου», δήλωσε ο αναπληρωτής καθηγητής Kai-Hsiang Chuang. «Αυτό που δεν καταλαβαίνουμε πλήρως είναι πώς ή πότε αυτά τα δομικά και λειτουργικά στοιχεία του εγκεφάλου αλληλεπιδρούν για να οδηγήσουν τελικά στο αποτέλεσμα της κίνησης του χεριού σας».
Η λειτουργική μαγνητική τομογραφία (fMRI) είναι η πιο δημοφιλής τεχνική που χρησιμοποιείται για τη μελέτη των εγκεφαλικών δικτύων. Το fMRI παρακολουθεί τη ροή του αίματος και τις αλλαγές οξυγόνωσης μετά τη νευρική δραστηριότητα, μετρώντας έτσι έμμεσα τις λειτουργικές συνδέσεις που σχηματίζονται και δίνοντάς μας μια ένδειξη για το πού διαδίδεται η εγκεφαλική δραστηριότητα.
Η εγκεφαλική δραστηριότητα, ωστόσο, δεν είναι τόσο απλή όσο ένα σήμα που ταξιδεύει από περιοχή σε περιοχή. Η ομάδα του εργαστηρίου Chuang ανέπτυξε μια νέα τεχνική υπερταχείας fMRI με εξαιρετικά αυξημένη χρονική ανάλυση, επιτρέποντάς τους να καταγράφουν τη δυναμική της εγκεφαλικής δραστηριότητας σε επίπεδο δευτερολέπτου.
Ο αναπληρωτής καθηγητής Chuang είπε ότι η νέα τεχνική οδήγησε σε πιο ολοκληρωμένη κατανόηση του πώς και πότε αλληλεπιδρούν οι δομικές και λειτουργικές συνδέσεις του εγκεφάλου. «Η πρώτη νέα ανακάλυψη που κάναμε είναι ότι η εγκεφαλική δραστηριότητα όχι μόνο διαδίδεται μέσω δομικών καλωδίων αλλά ακολουθεί ορισμένα προτιμησιακά κυκλώματα ανάλογα με την διεγερτική και ανασταλτική νευρωνική κατανομή τους», είπε. «Η επικοινωνία μεταξύ περιοχών του εγκεφάλου παρόμοιων τύπων κυττάρων γίνεται πιο ομαλή και η εγκεφαλική δραστηριότητα ισχυρότερη».
Η ομάδα Chuang παρακολούθησε την εγκεφαλική δραστηριότητα των ποντικών τόσο ενώ διεγείρονταν όσο και σε ηρεμία χρησιμοποιώντας την εξαιρετικά γρήγορη τεχνική fMRI. Όταν ο εγκέφαλος διεγείρεται, η δραστηριότητα ακολούθησε τη δομική καλωδίωση προς την κατεύθυνση προς τα εμπρός — από το Α στο Β και μετά από το Β στο Γ. Όταν ο εγκέφαλος ήταν σε ηρεμία, η δραστηριότητα εξαρτιόταν περισσότερο από την οργάνωση του κυτταρικού τύπου και λιγότερο από τη δομική καλωδίωση, που διαδόθηκε μεταξύ του C και Β αλλά όχι με Α, αν εκεί ήταν το προνομιακό κύκλωμα.
Αυτό σημαίνει ότι ο τρόπος επεξεργασίας των πληροφοριών εξαρτάται στην πραγματικότητα από την κατάστασή σας, όπου προηγουμένως πιστευόταν ότι η δραστηριότητα του εγκεφάλου λειτουργούσε με τον ίδιο τρόπο είτε σε ηρεμία είτε απασχολημένη κάνοντας μια εργασία.
«Η δεύτερη ανακάλυψη που κάναμε ήταν ότι το σήμα αίματος που ανιχνεύθηκε από το fMRI θα μπορούσε να αντικατοπτρίζει την οργάνωση του δικτύου και την κατανομή του τύπου κυττάρου», δήλωσε ο αναπληρωτής καθηγητής Chuang. «Αυτά τα ευρήματα έχουν σημαντικές επιπτώσεις για το πώς η δομή του εγκεφάλου διαμορφώνει τη λειτουργία και πώς να προβλέψουμε τη δραστηριότητα με βάση τη γνώση αυτής της δομής. Πιο πρακτικά, αυτό που γνωρίζουμε τώρα θα επηρεάσει τον σχεδιασμό του DBS και άλλων τεχνικών διέγερσης του εγκεφάλου.
«Τα επόμενα βήματα είναι να συνεργαστούμε με κλινικούς έμπειρους στη διέγερση του εγκεφάλου για να καθορίσουμε πώς μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτή τη γνώση σε συνδυασμό με ανθρώπινα δεδομένα για να βελτιώσουμε την κατανόησή μας για το DBS». Αυτή η πιο ολοκληρωμένη κατανόηση θα μπορούσε να μας επιτρέψει να προβλέψουμε καλύτερα τα αποτελέσματα του DBS και ενδεχομένως να βελτιώσουμε τον σχεδιασμό του για καλύτερα θεραπευτικά αποτελέσματα.