Η βαθιά διέγερση του εγκεφάλου, με εμφυτευμένα ηλεκτρόδια που παρέχουν ηλεκτρικούς παλμούς στον εγκέφαλο, χρησιμοποιείται συχνά για τη θεραπεία της νόσου του Πάρκινσον και άλλων νευρολογικών διαταραχών. Ωστόσο, τα ηλεκτρόδια που χρησιμοποιούνται για αυτή τη θεραπεία μπορεί τελικά να διαβρωθούν και να συσσωρεύσουν ουλώδη ιστό από τον εγκέφαλο, απαιτώντας την αφαίρεσή τους.
Οι ερευνητές του MIT έχουν τώρα αναπτύξει μια εναλλακτική προσέγγιση που χρησιμοποιεί υπερήχους αντί για ηλεκτρισμό για να εκτελέσει βαθιά διέγερση του εγκεφάλου, που παρέχεται από μια ίνα περίπου στο πάχος μιας ανθρώπινης τρίχας. Σε μια μελέτη σε ποντίκια, έδειξαν ότι αυτή η διέγερση μπορεί να πυροδοτήσει τους νευρώνες να απελευθερώσουν ντοπαμίνη, σε ένα μέρος του εγκεφάλου που συχνά στοχεύεται σε ασθενείς με νόσο του Πάρκινσον.
«Χρησιμοποιώντας υπερηχογράφημα, μπορούμε να δημιουργήσουμε έναν νέο τρόπο διέγερσης των νευρώνων να πυροδοτήσουν στο βαθύ εγκέφαλο», λέει ο Canan Dagdeviren, αναπληρωτής καθηγητής στο MIT Media Lab και επικεφαλής συγγραφέας της νέας μελέτης. «Αυτή η συσκευή είναι πιο λεπτή από μια ίνα τρίχας, επομένως θα υπάρξει αμελητέα βλάβη στους ιστούς και είναι εύκολο για εμάς να πλοηγηθούμε σε αυτήν τη συσκευή στο βαθύ εγκέφαλο».
Εκτός από την προσφορά ενός δυνητικά ασφαλέστερου τρόπου παροχής βαθιάς εγκεφαλικής διέγερσης, αυτή η προσέγγιση θα μπορούσε επίσης να γίνει ένα πολύτιμο εργαλείο για ερευνητές που αναζητούν να μάθουν περισσότερα για το πώς λειτουργεί ο εγκέφαλος. Ο μεταπτυχιακός φοιτητής του MIT Jason Hou και ο μεταδιδάκτορας του MIT Osman Goni Nayeem είναι οι κύριοι συγγραφείς της εργασίας, μαζί με συνεργάτες από το McGovern Institute for Brain Research του MIT, το Πανεπιστήμιο της Βοστώνης και το Caltech. Η μελέτη δημοσιεύεται σήμερα, 4 Ιουνίου, στο Nature Communications.
Βαθιά στον εγκέφαλο
Το εργαστήριο του Dagdeviren έχει αναπτύξει στο παρελθόν φορητές συσκευές υπερήχων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη χορήγηση φαρμάκων μέσω του δέρματος ή για τη διενέργεια διαγνωστικής απεικόνισης σε διάφορα όργανα. Ωστόσο, ο υπέρηχος δεν μπορεί να διεισδύσει βαθιά στον εγκέφαλο από μια συσκευή που είναι συνδεδεμένη στο κεφάλι ή στο κρανίο. “Αν θέλουμε να πάμε στον εν τω βάθει εγκέφαλο, τότε δεν μπορεί να φορεθεί ή να προσαρτηθεί πλέον. Πρέπει να είναι εμφυτεύσιμο”, λέει ο Dagdeviren. «Προσαρμόζουμε προσεκτικά τη συσκευή έτσι ώστε να είναι ελάχιστα επεμβατική και να αποφεύγονται τα μεγάλα αιμοφόρα αγγεία στο βαθύ εγκέφαλο».
Η βαθιά διέγερση του εγκεφάλου με ηλεκτρικές παρορμήσεις είναι εγκεκριμένη από τον FDA για τη θεραπεία των συμπτωμάτων της νόσου του Πάρκινσον. Αυτή η προσέγγιση χρησιμοποιεί ηλεκτρόδια πάχους χιλιοστού για να ενεργοποιήσει κύτταρα που παράγουν ντοπαμίνη σε μια περιοχή του εγκεφάλου που ονομάζεται μέλαινα ουσία. Ωστόσο, μόλις εμφυτευθούν στον εγκέφαλο, οι συσκευές αρχίζουν τελικά να διαβρώνονται και ο ουλώδης ιστός που συσσωρεύεται γύρω από το εμφύτευμα μπορεί να επηρεάσει τις ηλεκτρικές ώσεις.
Η ομάδα του MIT ξεκίνησε να δει αν θα μπορούσε να ξεπεράσει κάποια από αυτά τα μειονεκτήματα αντικαθιστώντας την ηλεκτρική διέγερση με υπερήχους. Οι περισσότεροι νευρώνες έχουν κανάλια ιόντων που ανταποκρίνονται σε μηχανική διέγερση, όπως οι δονήσεις από τα ηχητικά κύματα, επομένως ο υπέρηχος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να προκαλέσει δραστηριότητα σε αυτά τα κύτταρα. Ωστόσο, οι υπάρχουσες τεχνολογίες για την παροχή υπερήχων στον εγκέφαλο μέσω του κρανίου δεν μπορούν να φτάσουν βαθιά στον εγκέφαλο με υψηλή ακρίβεια, επειδή το ίδιο το κρανίο μπορεί να παρέμβει στα υπερηχητικά κύματα και να προκαλέσει διέγερση εκτός στόχου.
«Για να διαμορφώσουμε με ακρίβεια τους νευρώνες, πρέπει να πάμε βαθύτερα, οδηγώντας μας να σχεδιάσουμε ένα νέο είδος εμφυτεύματος που βασίζεται σε υπερήχους που παράγει εντοπισμένα πεδία υπερήχων», λέει ο Nayeem. Για να φτάσουν με ασφάλεια σε αυτές τις βαθιές περιοχές του εγκεφάλου, οι ερευνητές σχεδίασαν μια λεπτή σαν τρίχα ίνα κατασκευασμένη από ένα εύκαμπτο πολυμερές. Η άκρη της ίνας περιέχει έναν μορφοτροπέα υπερήχων που μοιάζει με τύμπανο με μια δονούμενη μεμβράνη. Όταν αυτή η μεμβράνη, η οποία περικλείει ένα λεπτό πιεζοηλεκτρικό φιλμ, οδηγείται από μια μικρή ηλεκτρική τάση, δημιουργεί υπερηχητικά κύματα που μπορούν να ανιχνευθούν από τα κοντινά κύτταρα.
«Είναι ασφαλές για τους ιστούς, δεν υπάρχει εκτεθειμένη επιφάνεια ηλεκτροδίου και είναι πολύ χαμηλής ισχύος, κάτι που αποτελεί καλό οιωνό για μετάφραση στον ασθενή», λέει ο Hou. Σε δοκιμές σε ποντίκια, οι ερευνητές έδειξαν ότι αυτή η συσκευή υπερήχων, την οποία ονομάζουν Implantable Piezoelectric Ultrasound Stimulator, μπορεί να προκαλέσει δραστηριότητα στους νευρώνες του ιππόκαμπου. Στη συνέχεια, εμφύτευσαν τις ίνες στη μέλαινα ουσία που παράγει ντοπαμίνη και έδειξαν ότι μπορούσαν να διεγείρουν τους νευρώνες στο ραχιαίο ραβδωτό σώμα για να παράγουν ντοπαμίνη.