Transkraniell gepulster Ultraschall - Transcranial pulsed ultrasound
Transcranial gepulstem Ultraschall (TPU) mit geringer Intensität verwendet, niederfrequentes Ultraschall (LILFU) , um das Gehirn zu stimulieren. Im Jahr 2002 schlug Dr. Alexander Bystritsky erstmals die Idee vor, dass diese Methodik therapeutische Vorteile beinhaltet. Ab 2008 begannen Dr. William Tyler und sein Forschungsteam von der Arizona State University mit der Untersuchung und Entwicklung dieser alternativen Neuromodulation ohne die schädlichen Auswirkungen und Risiken einer invasiven Operation. Sie entdeckten, dass dieser Ultraschall mit geringer Leistung eine hohe Neuronenaktivität stimulieren kann, die die Manipulation der Gehirnwellen durch eine externe Quelle ermöglicht. Im Gegensatz zur Tiefenhirnstimulation oder Vagusnervstimulation , bei der Implantate und elektrische Impulse verwendet werden, ist TPU ein nichtinvasives und fokussiertes Verfahren, bei dem keine Elektroden implantiert werden müssen , die das Nervengewebe schädigen könnten. Seine Verwendung ist in den verschiedenen Bereichen anwendbar, einschließlich, aber nicht beschränkt auf medizinische und militärische Wissenschaft. Obwohl diese Technologie ein großes Potenzial für die Einführung neuer und nützlicher Alternativen zur konventionellen Gehirnmanipulation birgt, ist sie eine relativ junge Wissenschaft und weist bestimmte Hindernisse für ihre vollständige Entwicklung auf, z. B. ein Mangel an vollständigem Verständnis und Kontrolle aller Sicherheitsmaßnahmen.
Forschung und Anwendungen
Der größte Teil der Forschung ab 2010 drehte sich um Projekte zur Verwendung von TPU als Methode zur Behandlung neuronaler Störungen und zur Verbesserung der kognitiven Funktion. Im Jahr 2012 begann Dr. Tyler jedoch auch mit der Erforschung des Potenzials von Ultraschall, Anfälle zu stoppen. Dr. Tyler und sein Team verbessern weiterhin ihr Wissen über die Hirnstimulationstherapie und hoffen, eine solide Grundlage für die Implementierung solcher Methoden zu schaffen.
Medizinischen Bereich
Wissenschaftler testen weiterhin eine Vielzahl von Säugetieren wie Menschen, Affen und Mäuse auf positive Auswirkungen auf die Behandlung von Epilepsie, Parkinson, chronischen Schmerzen, Koma, Dystonie, Psychosen und Depressionen, indem sie sicheres TPU mit geringer Intensität anwenden. Da das Potenzial dieser Technologie eine Vielzahl von Vorteilen abdeckt, wird erwartet, dass die fortgesetzte Erforschung ihrer Sicherheit und Wirksamkeit ihre Integration in die medizinische Standardpraxis beschleunigt.
Militär
Die Defense Advanced Research Projects Agency ( DARPA ) forscht derzeit an der Entwicklung eines Helms, mit dem der psychische Stress von Soldaten mithilfe von TPU kontrolliert werden kann. Es könnte das Potenzial haben, den Stress und die Angst eines Soldaten zu mildern. Schallwellen würden auf bestimmte Bereiche des Gehirns abzielen, um die Aktivität in Regionen zu stimulieren, die nur wenige Kubikmillimeter groß sind. Dies würde es ihnen ermöglichen, sehr spezifische Bereiche des Gehirns mit großer Genauigkeit anzugreifen, ohne die Umgebung zu schädigen. Derzeit wird an einem Prototyp dieses Geräts gearbeitet, um die Fähigkeiten und das Potenzial von Soldaten zu verbessern.
Testen
Herkömmlicher Ultraschall, der für die anatomische Analyse verwendet wird, verwendet typischerweise eine Wellenfrequenz von etwa 20 MHz, um das Körpergewebe zu durchdringen und Bilder zu erzeugen. Im Vergleich dazu weist die niedrige Frequenz von TPU eine subthermische Exposition von etwa 5,7 MHz auf. Durch signifikante Reduzierung der Wellenfrequenz kann erregbares Gewebe ohne Überbelichtung oder erkennbare Schäden manipuliert werden. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass die Konzentration auf bestimmte Hirnregionen bei Tieren nachweislich ihr Verhalten, die elektrischen Eigenschaften ihrer Zellen ( Elektrophysiologie ) und ihre synaptische Plastizität verändert , die im Wesentlichen die Funktionsfähigkeit des Neurons darstellt.
Zum Beispiel wurde gezeigt, dass TPU, wenn es sich auf den motorischen Kortex von Mäusen konzentriert, Pfotenbewegungen induziert, ohne die Struktur oder Funktion dieses Bereichs des Gehirns zu verändern. Dies beweist, dass diese Methode in der Lage ist, die Gehirnaktivität auf einem hohen kognitiven Niveau zu steuern. Es ist klar, dass kürzere Wellen die Neuronenaktivität aktivieren können, während längere Wellen sie hemmen. Der für diese Reaktion verantwortliche Mechanismus muss jedoch noch entdeckt werden. Eine neuere führende Hypothese ist, dass die mechanische Manipulation von dehnungsempfindlichen Membranen tatsächlich bestimmte spannungsgesteuerte Ionenkanäle wie Natrium oder Calcium stimuliert und so die neuronale Aktivität moduliert.
Einschränkungen
Klinische Studien wurden verwendet, um herausragende schädliche Wirkungen festzustellen. Obwohl keine Probanden als Ergebnis dieser Tests neurologische Langzeitanomalien zeigten, ist dies ein relativ neues Verfahren und wurde nicht ausreichend untersucht, um langfristige Nebenwirkungen vorherzusagen. Obwohl es eine sicherere Alternative zur Operation ist, weil es nicht invasiv ist, birgt Ultraschall immer das Potenzial, die Neuronen unbeabsichtigt auf schädliche Weise zu durcheinander zu bringen und nach längerer Exposition geringfügige Blutungen zu verursachen.
Therapeutische Vorteile
Im Gegensatz zu hochfrequentem Ultraschall bietet LILFU die folgenden Vorteile: geringere Absorption im Gewebe, größere physikalische Eindringtiefe im Gewebe, stärkere Partikelablenkung, signifikant bessere akustische Penetration und Kraft im Knochen, größerer Einfluss auf kinetische Effekte, unmittelbare / kurzfristige Wirkung , längere / anhaltende Effekte nach dem Eingriff und ein höheres Maß an Patientensicherheit.