Новая технология использует сфокусированные звуковые волны и голограммы для управления мозговыми цепями
Новое исследование предоставляет первые визуальные доказательства того, что мозговые контуры у живых животных могут активироваться ультразвуковыми волнами, проецируемыми в определенные узоры (голограммы).
Исследование, проведенное под руководством ученых из Центра здоровья имени Лангоне при Нью-Йоркском университете, а также из Цюрихского университета и Швейцарской высшей технической школы Цюриха (Швейцария), описывает систему, которая объединяет источники ультразвуковых волн и волоконный эндоскоп, подключенный к камере, для визуализации участков мозга мышей, непосредственно активируемых звуком. По словам авторов исследования, это закладывает основу для нового подхода к лечению неврологических заболеваний и психических расстройств внешними методами.
Уже существуют приложения, одобренные Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) и предназначенные для уменьшения симптомов тремора, наблюдающихся при болезни Паркинсона. Они используют интенсивные звуковые волны для уничтожения клеток мозга , называемых нейронами, в нейронных путях, связанных с тремором. Исследователи утверждают, что ультразвуковые волны низкой интенсивности, используемые в текущей работе, не убивают нейроны, а временно активируют их. Полученный эффект может быть широко распространенным, поскольку нейроны передают сигналы другим нейронам внутри своих цепей и между взаимосвязанными нейронными цепями.
Непосредственное наблюдение эффектов этой технологии, называемой транскраниальной ультразвуковой стимуляцией (ТУС), на живом мозге затруднительно, но изучение нейронов в пробирке в лабораторных условиях не позволяет точно передать, как ультразвуковые волны проходят через череп или ведут себя в трёхмерной ткани. Исследователи утверждают, что для того, чтобы ТУС-терапия была безопасной и эффективной, ультразвуковые волны должны быть направлены на определённые области мозга и должны быть откалиброваны таким образом, чтобы сигнал был достаточно сильным для проникновения через череп, но не настолько, чтобы повредить нежную мозговую ткань.
Текущее исследование, опубликованное в журнале Nature Biomedical Engineering online 7 июля, представляет собой эксперименты, проведенные внутри живого мозга, которые точно воспроизводят то, как активированный нейрон в одной части мозга может оказывать далеко идущие эффекты через связанные цепи.
«Наша работа показывает, что активация целых наборов нейронных сетей с помощью транскраниальной ультразвуковой стимуляции в живом мозге мыши возможна», — заявил соавтор исследования, доктор философии Шай Шохам. Другой соавтор — доктор философии Даниэль Разански из Цюрихского университета и Швейцарской высшей технической школы Цюриха (Швейцария).
«Мы также обнаружили, что, сосредоточившись на нейронных цепях, распределенных по областям мозга , а не на какой-либо отдельной области, TUS использует взаимосвязи внутри цепей, чтобы сделать целевые нейроны в 10 раз более чувствительными к ультразвуку», — сказал Шохам, который является содиректором Института Tech4Health в Нью-Йоркском университете здоровья имени Лангона и профессором кафедр офтальмологии и нейробиологии в Медицинской школе Гроссмана Нью-Йоркского университета.
«Это открытие потенциально делает технологию более эффективной, снижает требуемую мощность ультразвука и может проложить путь к более безопасным методам транскраниальной ультразвуковой стимуляции в будущем».
Чтобы изучить активацию нейронных цепей в неповрежденном мозге, исследователям необходимо было воздействовать звуковыми волнами на несколько областей мозга, одновременно напрямую отслеживая, какие нейроны активировались в этом процессе.
Под руководством Шохама и Разански исследователи разместили над головой мыши шлемовидную систему из 512 ультразвуковых излучателей, разработанную швейцарской группой. Из ультразвуковых волн команда создала голограммы, подобно тому, как интерференция световых волн позволяет создавать трёхмерные изображения (например, принцессы Леи в фильмах «Звёздные войны»).
Звуковые волны, интерферируя друг с другом определенным образом, также могут создавать «изображения» — в данном случае, по сути, фокусируя звуковые волны, исходящие от излучателей, в определенные геометрические узоры, такие как треугольники или пятиугольники, на поверхности мозга.
По мере того как нейроны в областях, сфокусированных на голограмме, активировались, они генерировали флуоресцентный сигнал, который регистрировала камера, что позволяло исследователям измерить степень активации различных областей мозга в ответ на ТУС.
«Наши результаты открывают новые возможности понимания того, как транскраниальная ультразвуковая стимуляция активирует нейронные сети в живом организме», — сказал Шохам. «Мы надеемся, что разработанные нами методы и вычислительные модели помогут другим исследователям фундаментальных исследований изучить механизмы работы различных нейронных сетей мозга . В конечном счёте, наша цель — адаптировать результаты этой работы к протоколам транскраниальной ультразвуковой стимуляции для лечения различных заболеваний человека, таких как психические расстройства».
Шохам заявил, что в дальнейшем исследователи планируют изучить возможность активации более сложных нейронных цепей и проверить, можно ли использовать ультразвук для активации цепей, расположенных глубже в мозге. Некоторые приложения уже проходят клинические испытания.
Постдокторант Тео Лемэр является соисследователем из Нью-Йоркского университета имени Лангона, участвующим в данном исследовании. Другими соисследователями исследования являются первый автор Гектор Эстрада, Имин Чен, Неда Давуди, Али Озбек и Кендреса Пардузи из Цюрихского университета и Швейцарской высшей технической школы Цюриха.