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Dirigirse al cerebro con ondas sonoras
Las ondas de ultrasonido, que se utilizan actualmente en medicina para exploraciones prenatales y otros fines de diagnóstico, podrían algún día utilizarse como una forma no invasiva de controlar la actividad cerebral. En los últimos dos años, los científicos han comenzado a experimentar con ultrasonidos de baja frecuencia y baja intensidad que pueden penetrar el cráneo y activar o silenciar las células cerebrales. Los investigadores esperan que la tecnología pueda proporcionar una alternativa a las técnicas más invasivas, como la estimulación cerebral profunda (DBS) y la estimulación del nervio vago, que se utilizan para tratar un número creciente de trastornos neurológicos.
Ondas cerebrales : Los científicos están utilizando ultrasonidos de baja intensidad y baja frecuencia para activar el cerebro. Las neuronas activadas en una porción de tejido cerebral se muestran aquí en rojo.
Una vez que las personas han descubierto lo que pueden hacer con la estimulación cerebral profunda y la estimulación del nervio vago, creemos que podemos desconectar esos dispositivos y controlar la actividad desde fuera del cuerpo, dice. William (Jamie) Tyler , neurocientífico de la Universidad Estatal de Arizona, en Tempe. Tyler ha creado una empresa llamada SynSonix para comercializar la tecnología.
Los dispositivos diseñados para tratar trastornos cerebrales han ganado popularidad en los últimos años. La estimulación cerebral profunda, que se usa para tratar la enfermedad de Parkinson, la distonía y el trastorno obsesivo compulsivo, administra una sacudida eléctrica al cerebro a través de un electrodo implantado. Sin embargo, debido a su naturaleza invasiva, la estimulación cerebral profunda solo se usa para casos graves que no se pueden tratar con medicamentos. Una técnica menos invasiva es la estimulación magnética transcraneal (EMT), en la que una bobina eléctrica colocada sobre la cabeza genera un campo magnético que atraviesa el cráneo y excita las neuronas del cerebro que se encuentra debajo. TMS se usa para tratar la depresión clínica, pero solo puede apuntar a las partes más superficiales del cerebro.
Con el ultrasonido, tenemos un enfoque espacial mucho mejor que [con] DBS, dice Tyler. Y a diferencia de TMS, podemos llegar a cualquier parte del cerebro. El ultrasonido, que consiste en ondas sonoras con una frecuencia superior a 20 kilohercios, se ha utilizado durante décadas en medicina para obtener imágenes de músculos, órganos y fetos. En los últimos cinco años, mejores herramientas para enfocar la energía del ultrasonido han permitido su uso como herramienta de ablación: los cirujanos ahora pueden usar ultrasonidos de alta intensidad y alta frecuencia (HIFU) para quemar esencialmente los fibromas uterinos. HIFU también se encuentra en pruebas clínicas para el tratamiento de tumores cerebrales, tumores de mama y cáncer de próstata.
Estas mismas herramientas ahora permiten a los científicos aplicar ultrasonido para controlar el cerebro, una idea que ha existido durante décadas. Mejores transductores de ultrasonido, que generan las ondas acústicas, permiten un enfoque más preciso de la energía de ultrasonido. Y la resonancia magnética (MRI) utilizada junto con el ultrasonido permite a los cirujanos enfocarse en áreas específicas del cuerpo con mayor precisión. La capacidad de unir el ultrasonido enfocado con la guía de MR [resonancia magnética] es extremadamente poderosa, dice Neal Kassell , neurocirujano de la Universidad de Virginia, en Charlottesville, y presidente de la Fundación de cirugía de ultrasonido enfocada , una organización sin fines de lucro con sede en Charlottesville que se fundó para desarrollar nuevas aplicaciones de ultrasonido enfocado.
Uno de los desafíos en el uso de ultrasonidos para apuntar al cerebro es descubrir cómo hacer que las ondas sonoras atraviesen el cráneo de manera controlada. Por lo general, el ultrasonido opera en el rango de megahercios a gigahercios, frecuencias que están bien para atravesar los tejidos blandos pero licuarían el hueso. (A medida que el hueso absorbe la energía de la onda acústica, se calienta). Investigadores del Brigham and Women's Hospital, en Boston, han descubierto que una frecuencia de ultrasonido de menos de un megahercio puede funcionar, pero con una compensación: el Cuanto menor sea la frecuencia, más difícil será enfocar la energía en un punto particular del cerebro.
Sin embargo, el año pasado, los científicos han tenido cierto éxito en resolver este problema. Las imágenes detalladas del cráneo generadas a través de una tomografía computarizada y una resonancia magnética pueden ayudar a los científicos a calcular la mejor manera de enfocar las ondas sonoras, dice Seung-Schik Yoo , neurocientífica de Brigham and Women y de la Facultad de Medicina de Harvard. En un trabajo aún no publicado, Yoo y sus colegas han demostrado que el ultrasonido de baja frecuencia y baja intensidad puede suprimir con éxito la actividad visual en el cerebro de los conejos, así como activar selectivamente la actividad en la corteza motora. También estamos analizando la capacidad de modular hormonas o neurotransmisores, que pueden tener aplicación para los trastornos psiquiátricos, la obesidad y la adicción, dice Yoo.
En un artículo publicado el año pasado en la revista Más uno Tyler demostró que el ultrasonido de baja frecuencia y baja intensidad puede activar canales que se encuentran en la membrana de las células nerviosas en una porción de tejido cerebral, lo que hace que las células envíen un mensaje eléctrico a través del circuito neural. Desde entonces, ha podido utilizar el ultrasonido para estimular la corteza motora y desencadenar el movimiento en ratones vivos. Este trabajo aún no ha sido publicado.
Los investigadores esperan cooptar los instrumentos desarrollados para HIFU para esta nueva aplicación. Varias empresas de instrumentos han desarrollado conjuntos en fase de transductores de ultrasonido, que permiten una orientación precisa de la energía del ultrasonido, y que actualmente se están probando para la extirpación de tumores cerebrales. Dependiendo de la anatomía individual del cráneo, puede programar el equipo de ultrasonido para que dispare elementos individuales para entregar un haz bien caracterizado, en términos de ubicación y tamaño, que se puede personalizar para cada paciente, dice Yoo.
Debido a que el ultrasonido enfocado ya se usa ampliamente, los investigadores son optimistas de que no enfrentará ningún obstáculo importante para avanzar hacia las pruebas clínicas. Para los neurólogos y neurocirujanos, es una técnica bien establecida, dice Tyler. Los márgenes de seguridad son bien conocidos. Agrega Kassell, creo que en realidad será más fácil obtener la aprobación [de lo que fue para HIFU] porque la presión del ultrasonido enfocado es menos presión que la que recibe el cerebro del Doppler transcraneal, un dispositivo de diagnóstico que se usa para observar los vasos en la cabeza después accidente cerebrovascular y hemorragia.
Kassell dice que la fundación está más interesada en usar ultrasonido de baja intensidad y baja frecuencia para la planificación quirúrgica. En pacientes con epilepsia, los cirujanos podrían usar la tecnología para silenciar temporalmente una parte de tejido cerebral que se cree que es responsable de desencadenar convulsiones, confirmando así la localización correcta, y luego usar HIFU para extirpar esa parte de tejido.
Tyler está más interesado en utilizar la ecografía focalizada para tratar la enfermedad de Parkinson. Dado que no es invasivo, podríamos tratar a los pacientes mucho antes en la progresión, dice. En este momento, las personas que reciben DBS son los pacientes en el peor de los casos.
Si bien los dispositivos iniciales probablemente se parecerían a una versión más pequeña de las máquinas de resonancia magnética, el tratamiento de los pacientes de Parkinson requeriría un dispositivo portátil o implantable capaz de proporcionar estimulación continua. El equipo de Tyler está trabajando en transductores de ultrasonido flexibles que podrían implantarse en la parte superior del cráneo o formularse en una tapa.
Aún no está claro cómo el ultrasonido desencadena la actividad eléctrica en las neuronas, pero algunos creen que es a través de la energía térmica generada por las ondas sonoras. Tyler, sin embargo, dice que tiene evidencia de que las neuronas se activan mediante energía mecánica. De hecho, investigaciones anteriores han demostrado que los canales neuronales que controlan la actividad eléctrica en el cerebro pueden activarse con presión mecánica. Lo que creemos que está sucediendo es algún tipo de efecto microcavitacional, como la radiación o la pura tensión, que afectan los canales que controlan la actividad neuronal, dice.