Proof-of-concept-studie banar väg för ny teknik för avbildning av hjärnan genom ett transparent skallimplantat

by Albert
Hjärnan

I den första studien i sitt slag har forskare från Keck School of Medicine of USC och California Institute of Technology (Caltech) designat och implanterat ett transparent fönster i skallen på en patient och sedan använt funktionell ultraljudsavbildning (fUSI) för att samla in högupplösta hjärnavbildningsdata genom fönstret.

De preliminära resultaten, som publiceras i Science Translational Medicine, tyder på att denna känsliga, icke-invasiva metod kan öppna nya möjligheter för patientövervakning och klinisk forskning, liksom för bredare studier av hur hjärnan fungerar.

”Det här är första gången någon har använt funktionell ultraljudsavbildning genom en skallersättning på en vaken människa som utför en uppgift”, säger Charles Liu, MD, Ph.D., professor i klinisk neurologisk kirurgi, urologi och kirurgi vid Keck School of Medicine och chef för USC Neurorestoration Center.

”Möjligheten att få ut den här typen av information på ett icke-invasivt sätt genom ett fönster är ganska betydelsefull, särskilt eftersom många av de patienter som behöver reparera skallen har eller kommer att få neurologiska funktionshinder. Dessutom kan ”fönster” opereras in i patienter med intakta skallar om funktionell information kan hjälpa till med diagnos och behandling.”

Forskningsdeltagaren, 39-årige Jared Hager, ådrog sig en traumatisk hjärnskada (TBI) i samband med en skateboardolycka 2019. Under en akut operation avlägsnades hälften av Hagers skalle för att minska trycket på hjärnan, vilket ledde till att en del av hjärnan endast täcktes av hud och bindväv. På grund av pandemin fick han vänta i över två år på att få sin skalle återställd med en protes.

Under den tiden anmälde sig Hager som frivillig till tidigare forskning som utfördes av Liu, Jonathan Russin, MD, biträdande kirurgisk chef för USC Neurorestoration Center, och ett annat Caltech-team om en ny typ av hjärnavbildning som kallas fPACT.

Den experimentella tekniken hade använts på mjukvävnad, men kunde bara testas på hjärnan hos patienter som Hager, som saknade en del av skallbenet. När det var dags att implantera protesen erbjöd sig Hager återigen att samarbeta med Liu och hans kollegor, som designade ett anpassat skallimplantat för att studera nyttan med fUSI – som inte kan göras genom skallen eller med ett traditionellt implantat – samtidigt som Hagers skada reparerades.

Före den rekonstruktiva operationen testade och optimerade forskargruppen fUSI-parametrarna för avbildning av hjärnan med hjälp av både ett fantom (en vetenskaplig anordning som är utformad för att testa medicinsk avbildningsutrustning) och djurmodeller. De samlade sedan in fUSI-data från Hager medan han utförde flera uppgifter, både före operationen och efter att det genomskinliga implantatet hade installerats, och fann att fönstret var ett effektivt sätt att mäta hjärnans aktivitet.

Funktionell hjärnavbildning, där man samlar in data om hjärnans aktivitet genom att mäta förändringar i blodflödet eller elektriska impulser, kan ge viktiga insikter om hur hjärnan fungerar, både hos friska människor och hos personer med neurologiska sjukdomar.

Men med dagens metoder, t.ex. funktionell magnetresonanstomografi (fMRI) och intrakraniell elektroencefalografi (EEG), finns det många obesvarade frågor. Utmaningarna inkluderar låg upplösning, brist på portabilitet eller behovet av invasiv hjärnkirurgi. fUSI kan så småningom erbjuda ett känsligt och exakt alternativ.

”Om vi kan extrahera funktionell information genom en patients skallimplantat kan det göra det möjligt för oss att ge behandling på ett säkrare och mer proaktivt sätt”, även till TBI-patienter som lider av epilepsi, demens eller psykiatriska problem, säger Liu.

En ny gräns för avbildning av hjärnan

Som en grund för den aktuella studien har Liu i flera år samarbetat med Mikhail Shapiro, Ph.D. och Richard Andersen, Ph.D., från Caltech, för att utveckla specialiserade ultraljudssekvenser som kan mäta hjärnans funktion, samt för att optimera tekniken med hjärna-dator-gränssnitt, som omvandlar signaler från hjärnan till en extern enhet.

Med dessa delar på plats testade Liu och hans kollegor flera transparenta skallimplantat på råttor och fann att ett tunt fönster tillverkat av polymetylmetakrylat (PMMA) – som liknar plexiglas – gav de tydligaste bildresultaten. De samarbetade sedan med ett neuroteknikföretag, Longeviti Neuro Solutions, för att bygga ett anpassat implantat åt Hager.

Före operationen samlade forskarna in fUSI-data medan Hager utförde två aktiviteter: han löste ett pussel med ”koppla ihop prickarna” på en datorskärm och spelade melodier på sin gitarr. Efter att implantatet installerats samlade de in data om samma uppgifter och jämförde sedan resultaten för att avgöra om fUSI kunde ge korrekta och användbara bilddata.

”Trovärdigheten minskade naturligtvis, men vår forskning visade att den fortfarande är tillräckligt hög för att vara användbar”, säger Liu. ”Och till skillnad från andra plattformar för gränssnitt mellan hjärna och dator, som kräver att elektroder implanteras i hjärnan, har detta mycket färre hinder för införande.”

fUSI kan erbjuda finare upplösning än fMRI och till skillnad från intrakraniellt EEG krävs det inte att elektroder implanteras i hjärnan. Det är också billigare än dessa metoder och skulle kunna ge patienterna vissa kliniska fördelar jämfört med icke-transparenta skallimplantat, säger Russin, som också är docent i neurologisk kirurgi vid Keck School of Medicine och chef för cerebrovaskulär kirurgi vid Keck Hospital of USC.

”Ett av de stora problemen när vi gör de här operationerna är att det kan bildas en blodpropp under implantatet, men med ett genomskinligt fönster kan vi enkelt övervaka detta”, säger han.

Förfining av funktionell ultraljudsteknik

Förutom bättre övervakning av patienterna kan den nya tekniken ge insikter på befolkningsnivå om TBI och andra neurologiska tillstånd. Den kan också göra det möjligt för forskare att samla in data om den friska hjärnan och lära sig mer om hur den kontrollerar kognitiva, sensoriska, motoriska och autonoma funktioner.

”Vad våra resultat visar är att vi kan extrahera användbar funktionell information med den här metoden”, säger Liu. ”Nästa steg är: Vilken specifik funktionell information vill vi ha och vad kan vi använda den till?”

Fram till dess att de nya teknikerna genomgår kliniska prövningar är fUSI och det genomskinliga implantatet experimentella. Under tiden arbetar forskargruppen med att förbättra sina fUSI-protokoll för att ytterligare förbättra bildupplösningen. Framtida forskning bör också bygga vidare på denna tidiga proof-of-concept-studie genom att testa fler deltagare för att bättre kunna fastställa sambandet mellan fUSI-data och specifika hjärnfunktioner, säger forskarna.

”Jared är en fantastisk kille”, säger Liu, som fortsätter att samarbeta med studiedeltagaren för att förfina nya tekniker, bland annat laserspektroskopi, som mäter blodflödet i hjärnan. ”Hans bidrag har verkligen hjälpt oss att utforska nya områden som vi hoppas i slutändan kan hjälpa många andra patienter.”

Yttrligare information: Claire Rabut et al, Functional ultrasound imaging of human brain activity through an acoustically transparent cranial window, Science Translational Medicine (2024). DOI: 10.1126/scitranslmed.adj3143. www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.adj3143

Related Articles

Leave a Comment