Eine Schädigung des Rückenmarks, sei es durch Verletzung oder Krankheit, kann verheerende Auswirkungen auf die Gesundheit haben, einschließlich des Verlusts motorischer oder sensorischer Funktionen oder chronischer Rückenschmerzen, von denen schätzungsweise 540 Millionen Menschen zu jedem Zeitpunkt betroffen sind. Ein in den USA ansässiges Forschungsteam hat nun die funktionelle Ultraschallbildgebung (fUSI) verwendet, um das Rückenmark sichtbar zu machen und seine Reaktion auf elektrische Stimulation in Echtzeit abzubilden – ein Ansatz, der die Behandlung chronischer Rückenschmerzen verbessern könnte.
Obwohl es eine zentrale Rolle bei sensorischen, motorischen und autonomen Funktionen spielt, ist wenig über die funktionelle Architektur des menschlichen Rückenmarks bekannt. Herkömmliche bildgebende Verfahren wie die funktionelle MRT (fMRT) werden durch starke Bewegungsartefakte behindert, die durch Herzpuls und Atmung erzeugt werden.
Im Gegensatz dazu wird fUSI weniger durch Bewegungsartefakte beeinträchtigt und kann das Rückenmark mit hoher räumlich-zeitlicher Auflösung (ungefähr 100 µm und bis zu 100 ms) und hoher Empfindlichkeit gegenüber langsam fließendem Blut während der Operation abbilden. Es sendet Ultraschallwellen in einen interessierenden Bereich aus und erkennt das Echosignal der in diesem Bereich fließenden Blutzellen (das Power-Doppler-Signal). Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der fUSI-Scanner mobil ist und die umfangreiche Infrastruktur, die für fMRT-Systeme erforderlich ist, entfällt.
„Das Rückenmark beherbergt die neuronalen Schaltkreise, die einige der wichtigsten Lebensfunktionen wie Atmung, Schlucken und Miktion steuern und modulieren. Allerdings wurde es bei der Erforschung neuronaler Funktionen häufig vernachlässigt“, erklärt Lead Contact Vasileios Christopoulos von der University of California Riverside. „Funktionelle Ultraschallbildgebung überwindet die Einschränkungen herkömmlicher Neuroimaging-Technologien und kann die Aktivität des Rückenmarks mit höherer räumlich-zeitlicher Auflösung und Empfindlichkeit überwachen als fMRT.“
Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass fUSI die Gehirnaktivität bei Tieren und menschlichen Patienten messen kann, darunter eine Studie, die zeigt, dass niederfrequente Schwankungen im Power-Doppler-Signal stark mit der neuronalen Aktivität korrelieren. In jüngerer Zeit verwendeten Forscher fUSI, um die Reaktionen des Rückenmarks auf elektrische Stimulation bei Tieren abzubilden.
In dieser neuesten Arbeit haben Christopoulos und Kollegen – ebenfalls aus der USC Neurorestaurierungszentrum an der Keck School of Medicine – verwendete fUSI zur Charakterisierung der hämodynamischen Aktivität (Änderungen des Blutflusses) im Rückenmark als Reaktion auf epidurale elektrische Rückenmarkstimulation (ESCS) – ein Neuromodulationsinstrument zur Behandlung von Schmerzzuständen, die nicht auf herkömmliche Methoden ansprechen Therapien.
In einer ersten Studie am Menschen überwachte das Team die hämodynamische Aktivität von sechs Patienten, denen ein therapeutisches ESCS-Gerät zur Behandlung chronischer Rückenschmerzen implantiert wurde, und berichtete über die Ergebnisse in Neuron.
fUSI nutzt einen ähnlichen Mechanismus wie fMRT und basiert auf dem neurovaskulären Kopplungsphänomen, bei dem eine erhöhte neuronale Aktivität lokale Veränderungen im Blutfluss verursacht, um den Stoffwechselbedarf aktiver Neuronen zu decken. Das Team verwendete einen miniaturisierten 15-MHz-Linear-Array-Wandler zur Durchführung der fUSI und führte ihn chirurgisch am zehnten Brustwirbel (T10) in das Rückenmark ein, wobei die Stimulationselektroden so platziert wurden, dass sie die Wirbelsäulensegmente T8–9 überspannten. Die aufgenommenen Bilder hatten eine räumliche Auflösung von 100 x 100 µm, eine Schichtdicke von etwa 400 µm und ein Sichtfeld von 12.8 x 10 mm.
Vier Patienten erhielten 10 EIN-AUS-Zyklen einer Schwachstromstimulation (3.0 mA), bestehend aus 30 Sekunden mit Stimulation und 30 Sekunden ohne Stimulation. Die Stimulation verursachte regionale Veränderungen in der Hämodynamik des Rückenmarks, wobei einige Regionen einen signifikanten Anstieg des Blutflusses und andere einen signifikanten Rückgang aufwiesen. Nach Abschalten der Stimulation kehrte der Blutfluss wieder in den Ausgangszustand zurück.
Um zu beurteilen, ob fUSI hämodynamische Veränderungen im Zusammenhang mit unterschiedlichen Stimulationsprotokollen erkennen kann, erhielten die verbleibenden zwei Patienten fünf EIN-AUS-Zyklen einer 3.0-mA-Stimulation, gefolgt von fünf Zyklen einer 4.5-mA-Stimulation, mit einer Pause von 3 Minuten dazwischen. Die Forscher fanden heraus, dass eine Erhöhung der Stromamplitude von 3.0 auf 4.5 mA die räumliche Verteilung der aktivierten Rückenmarksregionen nicht veränderte. Allerdings führte die Hochstromstimulation zu stärkeren hämodynamischen Veränderungen am Rückenmark.
Diese Fähigkeit von fUSI, hämodynamische Reaktionen, die durch verschiedene ESCS-Ströme hervorgerufen werden, zu unterscheiden, ist ein wichtiger Schritt zur Entwicklung eines ultraschallbasierten klinischen Überwachungssystems zur Optimierung der Stimulationsparameter. Christopoulos erklärt, dass Patienten aufgrund der Narkose während einer Rückenmarksoperation nicht berichten können, ob das angewandte Elektrostimulationsprotokoll tatsächlich die Schmerzen lindert. Daher kann der Neurochirurg die Auswirkungen der Neuromodulation nicht in Echtzeit genau beurteilen.
Mikroelektroden-Array könnte eine sicherere Rückenmarkschirurgie ermöglichen
„Unsere Studie liefert einen ersten Proof-of-Concept, dass die fUSI-Technologie zur Entwicklung geschlossener klinischer Neuromodulationssysteme verwendet werden kann, die es Neurochirurgen ermöglichen, Stimulationsparameter (Pulsbreite, Pulsform, Frequenz, Stromamplitude, Ort der Stimulation usw.) anzupassen. während der Operation“, erzählt er Physik-Welt.
Das Team hofft, fUSI in Zukunft als Plattform für die Untersuchung der Rückenmarksfunktion und die Entwicklung klinischer Neuromodulationssysteme mit geschlossenem Regelkreis in Echtzeit zu etablieren. „Wir haben es kürzlich zur Veröffentlichung eingereicht eine klinische Studie Dies zeigt, dass fUSI in der Lage ist, Netzwerke im menschlichen Rückenmark zu erkennen, deren Aktivität stark mit dem Blasendruck korreliert“, sagt Christopoulos. „Diese Erkenntnis eröffnet neue Wege für die Entwicklung von Rückenmarks-Maschinen-Schnittstellentechnologien zur Wiederherstellung der Blasenkontrolle bei Patienten mit Harninkontinenz, beispielsweise solchen mit Rückenmarksverletzungen.“
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- Quelle: https://physicsworld.com/a/functional-ultrasound-imaging-provides-real-time-feedback-during-spinal-surgery/
