Пошкодження спинного мозку внаслідок травми чи захворювання може мати руйнівний вплив на здоров’я, включаючи втрату рухових чи сенсорних функцій або хронічний біль у спині, який вражає приблизно 540 мільйонів людей у будь-який момент часу. Американська дослідницька група використала функціональне ультразвукове зображення (fUSI), щоб візуалізувати спинний мозок і відобразити його реакцію на електричну стимуляцію в режимі реального часу, підхід, який може покращити лікування хронічного болю в спині.
Незважаючи на те, що він відіграє центральну роль у сенсорних, моторних і вегетативних функціях, мало що відомо про функціональну архітектуру спинного мозку людини. Традиційним методам нейровізуалізації, таким як функціональна МРТ (фМРТ), перешкоджають сильні артефакти руху, що виникають унаслідок пульсації серця та дихання.
Навпаки, fUSI менш схильний до артефактів руху та може відтворювати зображення спинного мозку з високою просторово-часовою роздільною здатністю (приблизно 100 мкм і до 100 мс) і високою чутливістю до уповільнення кровотоку під час операції. Він працює, випромінюючи ультразвукові хвилі в зону інтересу та виявляючи відлуння від клітин крові, що протікають у цій області (сигнал потужного доплера). Ще одна перевага полягає в тому, що сканер fUSI мобільний, усуваючи велику інфраструктуру, необхідну для систем фМРТ.
«Спинний мозок містить нейронні схеми, які контролюють і модулюють деякі з найважливіших функцій життя, такі як дихання, ковтання та сечовипускання. Однак цим часто нехтували при вивченні нейронних функцій», — пояснює провідний контакт Василеос Хрістопулос з Каліфорнійського університету Ріверсайд. «Функціональна ультразвукова візуалізація долає обмеження традиційних технологій нейровізуалізації та може контролювати активність спинного мозку з вищою просторово-часовою роздільною здатністю та чутливістю, ніж фМРТ».
Попередні дослідження показали, що fUSI може вимірювати мозкову активність у тварин і людей, включаючи одне дослідження, яке показало, що низькочастотні коливання потужності допплерівського сигналу сильно корелюють з активністю нейронів. Зовсім недавно дослідники використовували fUSI для зображення реакції спинного мозку на електричну стимуляцію у тварин.
У цій останній роботі Крістопулос і його колеги – також з Центр нейровідновлення USC у Медичній школі Кека – використовував fUSI для характеристики гемодинамічної активності (зміни кровотоку) у спинному мозку у відповідь на епідуральну електричну стимуляцію спинного мозку (ESCS) – інструмент нейромодуляції, який використовується для лікування больових станів, які не реагують на традиційні терапії.
У першому дослідженні на людях команда спостерігала за гемодинамічною активністю у шести пацієнтів, яким імплантували терапевтичний пристрій ESCS для лікування хронічного болю в спині, повідомляючи про результати в Нейрон.
Використовуючи механізм, подібний до fMRI, fUSI покладається на феномен нервово-судинного зв’язку, при якому підвищена нервова активність викликає локалізовані зміни кровотоку для задоволення метаболічних потреб активних нейронів. Команда використовувала мініатюрний лінійний перетворювач 15 МГц для виконання фУЗІ, вставляючи його хірургічним шляхом у спинний мозок у десятому грудному хребці (T10), з електродами стимуляції, розташованими так, щоб охоплювати сегменти хребта T8–9. Записані зображення мали просторову роздільну здатність 100 x 100 мкм, товщину зрізу приблизно 400 мкм і поле зору 12.8 x 10 мм.
Четверо пацієнтів отримали 10 циклів увімкнення–вимкнення стимуляції слабким струмом (3.0 мА), які складалися з 30 с зі стимуляцією та 30 с без неї. Стимуляція викликала регіональні зміни в гемодинаміці спинного мозку, при цьому в деяких регіонах спостерігалося значне збільшення кровотоку, а в інших – значне зниження. Після вимкнення стимуляції кровотік повертався до вихідного стану.
Щоб оцінити, чи може fUSI виявити гемодинамічні зміни, пов’язані з різними протоколами стимуляції, решта двох пацієнтів отримали п’ять циклів ON-OFF стимуляції 3.0 мА, а потім п’ять циклів стимуляції 4.5 мА з 3-хвилинною паузою між ними. Дослідники виявили, що збільшення амплітуди струму з 3.0 до 4.5 мА не змінило просторового розподілу активованих областей спинного мозку. Однак стимуляція сильним струмом викликала сильніші гемодинамічні зміни в спинному мозку.
Ця здатність fUSI диференціювати гемодинамічні реакції, викликані різними струмами ESCS, є важливим кроком до розробки системи клінічного моніторингу на основі ультразвуку для оптимізації параметрів стимуляції. Крістопулос пояснює, що оскільки під час операції на спинному мозку пацієнтам вводять анестезію, вони не можуть повідомити, чи справді застосований протокол електростимуляції зменшує біль. Таким чином, нейрохірург не може точно оцінити вплив нейромодуляції в реальному часі.
Матриця мікроелектродів може забезпечити безпечнішу операцію на спинному мозку
«Наше дослідження є першим доказом того, що технологію fUSI можна використовувати для розробки замкнутих систем клінічної нейромодуляції, що дозволяє нейрохірургам регулювати параметри стимуляції (ширину імпульсу, форму імпульсу, частоту, амплітуду струму, місце стимуляції тощо) під час операції», — розповідає він Світ фізики.
У майбутньому команда сподівається створити fUSI як платформу для дослідження функції спинного мозку та розробки систем клінічної нейромодуляції в режимі реального часу. «Нещодавно ми подали для публікації клінічне дослідження демонструючи, що fUSI здатний виявляти мережі в спинному мозку людини, де активність тісно пов’язана з тиском у сечовому міхурі», – говорить Крістопулос. «Це відкриття відкриває нові шляхи для розробки технологій інтерфейсу спинного мозку для відновлення контролю над сечовим міхуром у пацієнтів з нетриманням сечі, наприклад, із травмою спинного мозку».
- Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
- ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
- PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
- джерело: https://physicsworld.com/a/functional-ultrasound-imaging-provides-real-time-feedback-during-spinal-surgery/
