Η βλάβη του νωτιαίου μυελού, είτε από τραυματισμό είτε από ασθένεια, μπορεί να έχει καταστροφικές επιπτώσεις στην υγεία, συμπεριλαμβανομένης της απώλειας κινητικών ή αισθητηριακών λειτουργιών ή χρόνιου πόνου στην πλάτη, που επηρεάζει περίπου 540 εκατομμύρια ανθρώπους ανά πάσα στιγμή. Μια ερευνητική ομάδα με έδρα τις ΗΠΑ χρησιμοποίησε τώρα λειτουργική απεικόνιση υπερήχων (fUSI) για να απεικονίσει τον νωτιαίο μυελό και να χαρτογραφήσει την απόκρισή του στην ηλεκτρική διέγερση σε πραγματικό χρόνο, μια προσέγγιση που θα μπορούσε να βελτιώσει τις θεραπείες του χρόνιου πόνου στην πλάτη.
Παρά το γεγονός ότι παίζει κεντρικό ρόλο στις αισθητηριακές, κινητικές και αυτόνομες λειτουργίες, λίγα είναι γνωστά για τη λειτουργική αρχιτεκτονική του ανθρώπινου νωτιαίου μυελού. Οι παραδοσιακές τεχνικές νευροαπεικόνισης, όπως η λειτουργική μαγνητική τομογραφία (fMRI), εμποδίζονται από ισχυρά τεχνουργήματα κίνησης που δημιουργούνται από τους παλμούς της καρδιάς και την αναπνοή.
Αντίθετα, το fUSI επηρεάζεται λιγότερο από τεχνουργήματα κίνησης και μπορεί να απεικονίσει τον νωτιαίο μυελό με υψηλή χωροχρονική ανάλυση (περίπου 100 μm και έως 100 ms) και υψηλή ευαισθησία στην αργή ροή αίματος κατά τη διάρκεια της επέμβασης. Λειτουργεί εκπέμποντας υπερηχητικά κύματα σε μια περιοχή ενδιαφέροντος και ανιχνεύοντας το ηχώδες σήμα από τα κύτταρα του αίματος που ρέουν σε αυτήν την περιοχή (το σήμα ισχύος Doppler). Ένα άλλο πλεονέκτημα είναι ότι ο σαρωτής fUSI είναι φορητός, εξαλείφοντας την εκτεταμένη υποδομή που απαιτείται για συστήματα fMRI.
«Ο νωτιαίος μυελός στεγάζει το νευρικό κύκλωμα που ελέγχει και ρυθμίζει μερικές από τις πιο σημαντικές λειτουργίες της ζωής, όπως η αναπνοή, η κατάποση και η ούρηση. Ωστόσο, έχει συχνά παραμεληθεί στη μελέτη της νευρικής λειτουργίας», εξηγεί η επαφή με τον επικεφαλής Βασίλειος Χριστόπουλος από το University of California Riverside. «Η λειτουργική απεικόνιση υπερήχων ξεπερνά τους περιορισμούς των παραδοσιακών τεχνολογιών νευροαπεικόνισης και μπορεί να παρακολουθεί τη δραστηριότητα του νωτιαίου μυελού με υψηλότερη χωροχρονική ανάλυση και ευαισθησία από το fMRI».
Προηγούμενη έρευνα έδειξε ότι το fUSI μπορεί να μετρήσει την εγκεφαλική δραστηριότητα σε ζώα και ανθρώπους ασθενείς, συμπεριλαμβανομένης μιας μελέτης που δείχνει ότι οι διακυμάνσεις χαμηλής συχνότητας στο σήμα ισχύος Doppler συσχετίζονται ισχυρά με τη νευρωνική δραστηριότητα. Πιο πρόσφατα, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το fUSI για να απεικονίσουν τις αποκρίσεις του νωτιαίου μυελού στην ηλεκτρική διέγερση σε ζώα.
Σε αυτή την τελευταία δουλειά, ο Χριστόπουλος και οι συνεργάτες του – επίσης από την Κέντρο Νευροαποκατάστασης USC στο Keck School of Medicine – χρησιμοποίησε το fUSI για να χαρακτηρίσει την αιμοδυναμική δραστηριότητα (αλλαγές στη ροή του αίματος) στον νωτιαίο μυελό ως απόκριση στην επισκληρίδιο ηλεκτρική διέγερση του νωτιαίου μυελού (ESCS) – ένα εργαλείο νευροτροποποίησης που χρησιμοποιείται για τη θεραπεία καταστάσεων πόνου που δεν ανταποκρίνονται στις παραδοσιακές θεραπείες.
Σε μια πρώτη μελέτη σε ανθρώπους, η ομάδα παρακολούθησε την αιμοδυναμική δραστηριότητα σε έξι ασθενείς που υποβλήθηκαν σε εμφύτευση μιας θεραπευτικής συσκευής ESCS για τη θεραπεία του χρόνιου πόνου στην πλάτη, αναφέροντας τα ευρήματα σε Νευρώνας.
Χρησιμοποιώντας έναν παρόμοιο μηχανισμό με το fMRI, το fUSI βασίζεται στο φαινόμενο της νευροαγγειακής σύζευξης, στο οποίο η αυξημένη νευρική δραστηριότητα προκαλεί τοπικές αλλαγές στη ροή του αίματος για να καλύψει τις μεταβολικές απαιτήσεις των ενεργών νευρώνων. Η ομάδα χρησιμοποίησε έναν μικρογραφημένο μορφοτροπέα γραμμικής διάταξης 15 MHz για να εκτελέσει το fUSI, εισάγοντάς τον χειρουργικά στον νωτιαίο μυελό στον δέκατο θωρακικό σπόνδυλο (T10), με τα ηλεκτρόδια διέγερσης τοποθετημένα να εκτείνονται στα τμήματα της σπονδυλικής στήλης T8-9. Οι καταγεγραμμένες εικόνες είχαν χωρική ανάλυση 100 x 100 μm, πάχος τομής περίπου 400 μm και οπτικό πεδίο 12.8 x 10 mm.
Τέσσερις ασθενείς έλαβαν 10 κύκλους ON-OFF διέγερσης χαμηλού ρεύματος (3.0 mA), που περιελάμβαναν 30 δευτερόλεπτα με διέγερση και στη συνέχεια 30 δευτερόλεπτα χωρίς. Η διέγερση προκάλεσε περιφερειακές αλλαγές στην αιμοδυναμική του νωτιαίου μυελού, με ορισμένες περιοχές να παρουσιάζουν σημαντικές αυξήσεις στη ροή του αίματος και άλλες να παρουσιάζουν σημαντικές μειώσεις. Μόλις η διέγερση απενεργοποιήθηκε, η ροή του αίματος επέστρεψε στην αρχική κατάσταση.
Για να εκτιμηθεί εάν το fUSI μπορεί να ανιχνεύσει αιμοδυναμικές αλλαγές που σχετίζονται με διαφορετικά πρωτόκολλα διέγερσης, οι υπόλοιποι δύο ασθενείς έλαβαν πέντε κύκλους ON-OFF διέγερσης 3.0 mA που ακολουθήθηκαν από πέντε κύκλους διέγερσης 4.5 mA, με μια παύση 3 λεπτών μεταξύ των δύο. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η αύξηση του πλάτους ρεύματος από 3.0 σε 4.5 mA δεν άλλαξε τη χωρική κατανομή των ενεργοποιημένων περιοχών του νωτιαίου μυελού. Ωστόσο, η διέγερση υψηλού ρεύματος προκάλεσε ισχυρότερες αιμοδυναμικές αλλαγές στο νωτιαίο μυελό.
Αυτή η ικανότητα του fUSI να διαφοροποιεί τις αιμοδυναμικές αποκρίσεις που προκαλούνται από διαφορετικά ρεύματα ESCS είναι ένα σημαντικό βήμα προς την ανάπτυξη ενός συστήματος κλινικής παρακολούθησης βασισμένου σε υπερήχους για τη βελτιστοποίηση των παραμέτρων διέγερσης. Ο Χριστόπουλος εξηγεί ότι επειδή οι ασθενείς υποβάλλονται σε αναισθησία κατά τη διάρκεια χειρουργικής επέμβασης στο νωτιαίο μυελό, δεν μπορούν να αναφέρουν εάν το εφαρμοσμένο πρωτόκολλο ηλεκτρικής διέγερσης πράγματι μειώνει τον πόνο. Ως εκ τούτου, ο νευροχειρουργός δεν μπορεί να αξιολογήσει με ακρίβεια τα αποτελέσματα της νευροτροποποίησης σε πραγματικό χρόνο.
Η συστοιχία μικροηλεκτροδίων θα μπορούσε να επιτρέψει ασφαλέστερη χειρουργική επέμβαση νωτιαίου μυελού
«Η μελέτη μας παρέχει μια πρώτη απόδειξη της ιδέας ότι η τεχνολογία fUSI μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανάπτυξη συστημάτων κλινικής νευροτροποποίησης κλειστού βρόχου, επιτρέποντας στους νευροχειρουργούς να προσαρμόζουν τις παραμέτρους διέγερσης (πλάτος παλμού, σχήμα παλμού, συχνότητα, πλάτος ρεύματος, θέση διέγερσης κ.λπ.) κατά τη διάρκεια της επέμβασης», λέει Κόσμος Φυσικής.
Στο μέλλον, η ομάδα ελπίζει να καθιερώσει το fUSI ως πλατφόρμα για τη διερεύνηση της λειτουργίας του νωτιαίου μυελού και την ανάπτυξη κλινικών συστημάτων νευροτροποποίησης κλειστού βρόχου σε πραγματικό χρόνο. «Πρόσφατα υποβάλαμε για δημοσίευση κλινική μελέτη αποδεικνύοντας ότι το fUSI είναι ικανό να ανιχνεύει δίκτυα στον ανθρώπινο νωτιαίο μυελό όπου η δραστηριότητα συσχετίζεται έντονα με την πίεση της ουροδόχου κύστης», λέει ο Χριστόπουλος. «Αυτό το εύρημα ανοίγει νέους δρόμους για την ανάπτυξη τεχνολογιών διεπαφής μηχανών νωτιαίου μυελού για την αποκατάσταση του ελέγχου της ουροδόχου κύστης σε ασθενείς με ακράτεια ούρων, όπως εκείνοι με τραυματισμό του νωτιαίου μυελού».
- SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
- πηγή: https://physicsworld.com/a/functional-ultrasound-imaging-provides-real-time-feedback-during-spinal-surgery/
