Stimolazione cerebrale ad ultrasuoni 3D per disturbi neurologici

I ricercatori del Fraunhofer hanno sviluppato una tecnologia che utilizza segnali ultrasonici per stimolare specificamente determinate aree del cervello. Utilizzando uno speciale sistema a ultrasuoni, con 256 trasduttori controllabili individualmente, è possibile mirare ai singoli punti più profondi del cervello per essere stimolati con segnali sonori. Secondo gli sviluppatori, questa innovativa tecnologia audio 3D potrebbe essere utilizzata in futuro per curare malattie come il morbo di Parkinson, l’epilessia, la depressione, la dipendenza e le conseguenze dell’ictus.

Grazie all’attività elettrica di circa 86 miliardi di neuroni, il cervello ha la capacità di elaborare input sensoriali, immagazzinare informazioni, prendere decisioni e controllare le funzioni corporee. Ciò significa anche che malattie e condizioni come il morbo di Parkinson, l’epilessia e il tremore dipendono dall’elaborazione del segnale e dall’interazione tra i neuroni. La neurostimolazione che utilizza impulsi elettrici per trattare i sintomi di malattie come il morbo di Parkinson è una tecnologia in rapido sviluppo. All’inizio di quest’anno, ad esempio, ad un paziente dell’ETZ è stato impiantato un nuovo tipo di neurostimolatore altamente compatto.

Stimolazione elettrica (magnetica).

Forti di queste conoscenze, negli ultimi decenni i ricercatori hanno lavorato per trattare i problemi neurologici mediante stimolazione elettrica o elettromagnetica di aree cerebrali rilevanti. Ma metodi come le simulazioni che utilizzano campi magnetici esterni non hanno ancora prodotto risultati ideali a causa della precisione relativamente bassa dei loro effetti. La neurochirurgia nel contesto della stimolazione cerebrale profonda (DBS) è attualmente lo standard clinico quando si tratta di stimolazione cerebrale terapeutica. Tuttavia, rimane una procedura rischiosa a causa dei possibili effetti collaterali come sanguinamento o infezioni.

Gli scienziati del Fraunhofer IBMT di St. Ingbert stanno lavorando su come utilizzare gli ultrasuoni per la neurostimolazione non invasiva di queste aree cerebrali. L’applicatore (la sonda ecografica nota come trasduttore) viene posizionato sulla testa mediante un cuscinetto flessibile. I segnali a ultrasuoni sono di intensità così bassa da non danneggiare il tessuto cellulare e allo stesso tempo possono essere focalizzati con precisione grazie a una funzione nota come orientamento del raggio 3D.

Segnali sonori 3D per una stimolazione profonda

Gruppo di ricercatori Fraunhofer Sistema unico Per la nuova tecnologia. Questo metodo consente di dirigere e indirizzare le onde ultrasoniche verso singoli punti del cervello, anche se si trovano in profondità nel tessuto. Per raggiungere questo obiettivo, il team ha sviluppato uno speciale trasduttore a ultrasuoni contenente 256 elementi individuali, ciascuno dei quali può essere controllato in modo indipendente. Il capo del dipartimento Stephen Tritbaar spiega l’idea: “Controllando individualmente 256 canali elettronici, la terapia a ultrasuoni 3D è conveniente. Gli elementi trasduttori sono disposti come una scacchiera e colpiscono l’area desiderata del cervello da diverse angolazioni. ” Il focus – il punto in cui i raggi si incontrano – si trova a una profondità specifica nel tessuto cerebrale, in modo che il trattamento possa essere adattato a ogni singolo paziente”.

I ricercatori del Fraunhofer utilizzano elementi piezoelettrici per i trasduttori. Questi elementi subiscono oscillazioni quando viene applicata la tensione, creando onde ultrasoniche. I ricercatori stanno attualmente lavorando per migliorare ulteriormente la precisione utilizzando due trasduttori a ultrasuoni contemporaneamente e incrociando dinamicamente i fasci nell’area target. Combinando una messa a fuoco molto stretta da tre a cinque millimetri con una posizione di messa a fuoco quasi illimitata nelle profondità del cervello, è possibile modulare in modo preciso e specifico diverse regioni del cervello senza danneggiare i tessuti.

Le frequenze degli ultrasuoni utilizzate sono all’estremità inferiore della gamma, inferiori a 1 MHz. Ad esempio, può essere utilizzata una frequenza di circa 500 kHz. “La persona non sente nulla e poiché l’intensità degli ultrasuoni è bassa nell’intervallo utilizzato per la diagnosi, secondo lo stato attuale della ricerca non ci sono effetti collaterali negativi sui tessuti”, spiega Tritbaar. Non è necessario radere l’area prima del trattamento e i professionisti medici stimano che la sessione di trattamento richieda solo pochi minuti. L’unica preparazione necessaria prima di posizionare il tampone con l’unità ad ultrasuoni sulla testa è massaggiare il gel di contatto sui capelli del paziente.

Risonanza magnetica

Oltre al trasduttore a ultrasuoni e ai componenti elettronici, il team Fraunhofer IBMT ha sviluppato anche il software utilizzato per controllare i 256 singoli componenti del trasduttore. Il programma estrae i dati necessari ai fini della pianificazione dalle scansioni MRI del paziente. Nell’immagine sono evidenziate le aree del cervello responsabili del problema neurologico specifico del paziente e la loro localizzazione. Questi contrassegni vengono quindi registrati in un file di dati che viene inserito nel software di controllo. I dati sulla posizione possono essere utilizzati per dirigere i segnali a ultrasuoni nell’esatta posizione desiderata.

È anche possibile programmare il dispositivo ad ultrasuoni per inviare fasci in un ordine predeterminato o per seguire schemi di movimento specifici. Ciò significa che in futuro i medici potranno regolare individualmente tutti i parametri del dispositivo per ciascun paziente. “Si tratta di un’area di ricerca ancora nuova, ma anche molto promettente. Attualmente, centri medici e ricercatori di tutto il mondo stanno sviluppando e testando questi tipi di sequenze di ultrasuoni”, ha affermato Tritbaar.

Non esiste una cura, ma le aspettative sono alte

I medici non si aspettano che i trattamenti a ultrasuoni curino malattie come il morbo di Parkinson o l’epilessia, ma credono che avranno un effetto notevole sull’attenuazione dei sintomi. Gli ultrasuoni rappresentano anche una promettente alternativa alla medicina convenzionale. A lungo termine, la nuova tecnologia potrebbe essere utilizzata anche in scenari come la scomposizione delle placche nelle cellule cerebrali nelle persone affette da morbo di Alzheimer o per trattare la depressione e i disturbi da dipendenza causati da fattori neurologici.

Pertanto, sia i medici che i ricercatori hanno grandi aspettative nei confronti della nuova tecnologia. In futuro, potrebbe essere utilizzato per trattare un’ampia gamma di malattie e condizioni neurologiche, come l’epilessia o per trattare gli effetti dell’ictus. I ricercatori del Fraunhofer stanno sviluppando questo metodo come parte di numerosi progetti di ricerca pubblici e industriali, in collaborazione con partner in Germania e altrove nell’Unione Europea, negli Stati Uniti, in Canada e in Australia.