Ultraljud erbjuder ett nytt sätt att utföra djup hjärnstimulering

by Albert
ImPULS-enheten innehåller ultraljudsgivare och elektroder (guld) inkapslade i en polymer. Kredit: Massachusetts Institute of Technology

Djup hjärnstimulering, med hjälp av inopererade elektroder som levererar elektriska pulser till hjärnan, används ofta för att behandla Parkinsons sjukdom och andra neurologiska sjukdomar. De elektroder som används för denna behandling kan dock så småningom korrodera och ackumulera ärrvävnad, vilket gör att de måste tas bort.

MIT-forskare har nu utvecklat en alternativ metod som använder ultraljud istället för elektricitet för att utföra djup hjärnstimulering, som levereras av en fiber som är ungefär lika tjock som ett hårstrå. I en studie på möss visade de att denna stimulering kan få nervcellerna att frisätta dopamin, i en del av hjärnan som ofta är målet för patienter med Parkinsons sjukdom.

”Genom att använda ultraljud kan vi skapa ett nytt sätt att stimulera nervceller att avfyras i den djupa hjärnan”, säger Canan Dagdeviren, docent vid MIT Media Lab och huvudförfattare till den nya studien. ”Den här enheten är tunnare än en hårfiber, så vävnadsskadorna blir försumbara, och det är lätt för oss att navigera den här enheten i den djupa hjärnan.”

Förutom att erbjuda ett potentiellt säkrare sätt att leverera djup hjärnstimulering, kan detta tillvägagångssätt också bli ett värdefullt verktyg för forskare som vill lära sig mer om hur hjärnan fungerar.

MIT:s doktorand Jason Hou och MIT:s postdoktor Md Osman Goni Nayeem är huvudförfattare till artikeln, tillsammans med medarbetare från MIT:s McGovern Institute for Brain Research, Boston University och Caltech. Studien publiceras idag, den 4 juni, i Nature Communications.

Djupt in i hjärnan

Dagdevirens laboratorium har tidigare utvecklat bärbara ultraljudsenheter som kan användas för att leverera läkemedel genom huden eller utföra diagnostisk avbildning av olika organ. Ultraljud kan dock inte tränga djupt in i hjärnan från en enhet som är fäst vid huvudet eller skallen.

”Om vi vill nå djupt in i hjärnan kan det inte längre bara vara bärbart eller fästbart. Den måste vara implanterbar”, säger Dagdeviren. ”Vi anpassar noggrant enheten så att den blir minimalt invasiv och undviker större blodkärl i den djupa hjärnan.”

Djup hjärnstimulering med elektriska impulser är FDA-godkänd för behandling av symtom på Parkinsons sjukdom. Denna metod använder millimetertjocka elektroder för att aktivera dopaminproducerande celler i en hjärnregion som kallas substantia nigra. Men när elektroderna väl har implanterats i hjärnan börjar de så småningom korrodera, och ärrvävnad som byggs upp runt implantatet kan störa de elektriska impulserna.

MIT-teamet ville se om de kunde övervinna några av dessa nackdelar genom att ersätta elektrisk stimulering med ultraljud. De flesta nervceller har jonkanaler som reagerar på mekanisk stimulering, t.ex. vibrationer från ljudvågor, så ultraljud kan användas för att framkalla aktivitet i dessa celler.

Befintlig teknik för att leverera ultraljud till hjärnan genom skallen kan dock inte nå djupt in i hjärnan med hög precision eftersom skallen i sig kan störa ultraljudsvågorna och orsaka stimulering utanför målet.

Det nya tillvägagångssättet använder ultraljud som levereras av en fiber som är ungefär lika tjock som ett hårstrå. Kredit: Massachusetts Institute of Technology

Det nya tillvägagångssättet använder ultraljud som levereras av en fiber som är ungefär lika tjock som ett hårstrå. Kredit: Massachusetts Institute of Technology

”För att exakt modulera nervceller måste vi gå djupare, vilket ledde oss till att utforma en ny typ av ultraljudsbaserat implantat som producerar lokaliserade ultraljudsfält”, säger Nayeem.

För att på ett säkert sätt nå de djupa hjärnregionerna designade forskarna en hårfin fiber tillverkad av en flexibel polymer. Spetsen på fibern innehåller en trumliknande ultraljudsgivare med ett vibrerande membran. När membranet, som är inkapslat i en tunn piezoelektrisk film, drivs av en liten elektrisk spänning genererar det ultraljudsvågor som kan detekteras av närliggande celler.

”Det är vävnadssäkert, det finns ingen exponerad elektrodyta och det är mycket strömsnålt, vilket bådar gott för att kunna överföras till patientanvändning”, säger Hou.

I tester på möss visade forskarna att denna ultraljudsapparat, som de kallar ImPULS (Implantable Piezoelectric Ultrasound Stimulator), kan framkalla aktivitet i nervceller i hippocampus. Därefter implanterade de fibrerna i den dopaminproducerande substantia nigra och visade att de kunde stimulera nervceller i dorsala striatum att producera dopamin.

”Hjärnstimulering har varit en av de mest effektiva, men samtidigt minst förstådda, metoderna för att återställa hjärnans hälsa. ImPULS ger oss möjlighet att stimulera hjärnceller med utsökt upplösning i tid och rum och på ett sätt som inte ger upphov till skador eller inflammation på samma sätt som andra metoder.

”Att se dess effektivitet i områden som hippocampus öppnade ett helt nytt sätt för oss att leverera exakt stimulering till riktade kretsar i hjärnan”, säger Steve Ramirez, biträdande professor i psykologi och hjärnforskning vid Boston University och fakultetsmedlem vid B.U.s Center for Systems Neuroscience, som också är en av författarna till studien.

I det nya systemet drivs givare (silver) av kablar (guld) som ger elektrisk stimulering. Kredit: Massachusetts Institute of Technology

I det nya systemet drivs givare (silver) av kablar (guld) som ger elektrisk stimulering. Kredit: Massachusetts Institute of Technology

En anpassningsbar enhet

Alla komponenter i implantatet är biokompatibla, inklusive det piezoelektriska skiktet, som är tillverkat av en ny keramik som kallas kaliumnatriumniobat, eller KNN. Den nuvarande versionen av implantatet drivs av en extern strömkälla, men forskarna ser framför sig att framtida versioner skulle kunna drivas av ett litet implanterbart batteri och en elektronikenhet.

Forskarna utvecklade en mikrofabrikationsprocess som gör det möjligt för dem att enkelt ändra fiberns längd och tjocklek, liksom frekvensen på de ljudvågor som produceras av den piezoelektriska givaren. Detta skulle kunna göra det möjligt att anpassa enheterna för olika hjärnregioner.

”Vi kan inte säga att enheten kommer att ge samma effekt på alla regioner i hjärnan, men vi kan enkelt och med stor säkerhet säga att tekniken är skalbar, och inte bara för möss. Vi kan också göra den större för att eventuellt använda den på människor”, säger Dagdeviren.

Forskarna planerar nu att undersöka hur ultraljudsstimuleringen kan påverka olika delar av hjärnan och om apparaterna kan förbli funktionella när de implanteras under flera år. De är också intresserade av möjligheten att integrera en mikrofluidisk kanal, vilket skulle kunna göra det möjligt för enheten att leverera läkemedel såväl som ultraljud.

Förutom att den här typen av ultraljudsutrustning kan vara ett lovande potentiellt läkemedel mot Parkinsons sjukdom eller andra sjukdomar, kan den också vara ett värdefullt verktyg för att hjälpa forskare att lära sig mer om hjärnan, menar forskarna.

”Vårt mål är att tillhandahålla detta som ett forskningsverktyg för neurovetenskapen, eftersom vi anser att vi inte har tillräckligt effektiva verktyg för att förstå hjärnan”, säger Dagdeviren. ”Som apparatingenjörer försöker vi tillhandahålla nya verktyg så att vi kan lära oss mer om olika regioner i hjärnan.”

Ytterligare information: Jason F. Hou et al, An implantable piezoelectric ultrasound stimulator (ImPULS) for deep brain activation, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-48748-6

Related Articles

Leave a Comment