I danni al midollo spinale, dovuti a lesioni o malattie, possono avere effetti devastanti sulla salute, inclusa la perdita delle funzioni motorie o sensoriali, o il mal di schiena cronico, che colpisce circa 540 milioni di persone in un dato momento. Un gruppo di ricerca con sede negli Stati Uniti ha ora utilizzato l’imaging ecografico funzionale (fUSI) per visualizzare il midollo spinale e mappare la sua risposta alla stimolazione elettrica in tempo reale, un approccio che potrebbe migliorare i trattamenti del mal di schiena cronico.
Nonostante svolga un ruolo centrale nelle funzioni sensoriali, motorie e autonomiche, si sa poco sull’architettura funzionale del midollo spinale umano. Le tecniche tradizionali di neuroimaging, come la risonanza magnetica funzionale (fMRI), sono ostacolate da forti artefatti di movimento generati dalla pulsazione cardiaca e dalla respirazione.
Al contrario, la fUSI è meno influenzata dagli artefatti da movimento e può visualizzare il midollo spinale con un'elevata risoluzione spaziotemporale (circa 100 µm e fino a 100 ms) e un'elevata sensibilità al flusso sanguigno lento durante l'intervento chirurgico. Funziona emettendo onde ultrasoniche in un'area di interesse e rilevando il segnale echeggiato dalle cellule del sangue che fluiscono in quella regione (il segnale power Doppler). Un altro vantaggio è che lo scanner fuSI è mobile, eliminando l'ampia infrastruttura richiesta per i sistemi fMRI.
“Il midollo spinale ospita i circuiti neurali che controllano e modulano alcune delle funzioni più importanti della vita, come la respirazione, la deglutizione e la minzione. Tuttavia, è stato spesso trascurato nello studio della funzione neurale”, spiega Lead Contact Vasileios Christopoulos dell'Università della California Riverside. “L’imaging ecografico funzionale supera i limiti delle tradizionali tecnologie di neuroimaging e può monitorare l’attività del midollo spinale con una risoluzione e una sensibilità spaziotemporali più elevate rispetto alla fMRI”.
Precedenti ricerche hanno dimostrato che il fUSI può misurare l’attività cerebrale negli animali e nei pazienti umani, incluso uno studio che mostra che le fluttuazioni a bassa frequenza nel segnale power Doppler sono fortemente correlate con l’attività neuronale. Più recentemente, i ricercatori hanno utilizzato la fUSI per visualizzare le risposte del midollo spinale alla stimolazione elettrica negli animali.
In questo ultimo lavoro, Christopoulos e colleghi – anche loro del Centro di neurorestauro dell'USC presso la Keck School of Medicine – ha utilizzato la fUSI per caratterizzare l'attività emodinamica (cambiamenti nel flusso sanguigno) nel midollo spinale in risposta alla stimolazione elettrica epidurale del midollo spinale (ESCS) – uno strumento di neuromodulazione impiegato per trattare condizioni di dolore che non rispondono ai tradizionali terapie.
In un primo studio sull'uomo, il team ha monitorato l'attività emodinamica in sei pazienti sottoposti a impianto di un dispositivo terapeutico ESCS per il trattamento del mal di schiena cronico, riportando i risultati in Neuron.
Utilizzando un meccanismo simile alla fMRI, la fUSI si basa sul fenomeno dell’accoppiamento neurovascolare, in cui l’aumento dell’attività neurale provoca cambiamenti localizzati nel flusso sanguigno per soddisfare le richieste metaboliche dei neuroni attivi. Il team ha utilizzato un trasduttore lineare miniaturizzato da 15 MHz per eseguire la fUSI, inserendolo chirurgicamente nel midollo spinale in corrispondenza della decima vertebra toracica (T10), con gli elettrodi di stimolazione posizionati in modo da coprire i segmenti spinali T8-9. Le immagini registrate avevano una risoluzione spaziale di 100 x 100 µm, uno spessore della sezione di circa 400 µm e un campo visivo di 12.8 x 10 mm.
Quattro pazienti hanno ricevuto 10 cicli ON-OFF di stimolazione a bassa corrente (3.0 mA), comprendenti 30 secondi con stimolazione e 30 secondi senza. La stimolazione ha causato cambiamenti regionali nell’emodinamica del midollo spinale, con alcune regioni che hanno mostrato aumenti significativi del flusso sanguigno e altre che hanno mostrato diminuzioni significative. Una volta interrotta la stimolazione, il flusso sanguigno è tornato alla condizione iniziale.
Per valutare se la fUSI può rilevare cambiamenti emodinamici associati a diversi protocolli di stimolazione, i restanti due pazienti hanno ricevuto cinque cicli ON-OFF di stimolazione da 3.0 mA seguiti da cinque cicli di stimolazione da 4.5 mA, con una pausa di 3 minuti tra i due. I ricercatori hanno scoperto che l’aumento dell’ampiezza della corrente da 3.0 a 4.5 mA non ha modificato la distribuzione spaziale delle regioni attivate del midollo spinale. Tuttavia, la stimolazione ad alta corrente ha indotto cambiamenti emodinamici più forti nel midollo spinale.
Questa capacità del fUSI di differenziare le risposte emodinamiche evocate dalle diverse correnti ESCS è un passo importante verso lo sviluppo di un sistema di monitoraggio clinico basato sugli ultrasuoni per ottimizzare i parametri di stimolazione. Christopoulos spiega che poiché i pazienti sono anestetizzati durante l'intervento chirurgico al midollo spinale, non possono riferire se il protocollo di stimolazione elettrica applicato riduce effettivamente il dolore. Pertanto, il neurochirurgo non può valutare con precisione gli effetti della neuromodulazione in tempo reale.
L'array di microelettrodi potrebbe consentire una chirurgia del midollo spinale più sicura
“Il nostro studio fornisce una prima prova di concetto che la tecnologia fUSI può essere utilizzata per sviluppare sistemi di neuromodulazione clinica a circuito chiuso, consentendo ai neurochirurghi di regolare i parametri di stimolazione (ampiezza dell’impulso, forma dell’impulso, frequenza, ampiezza della corrente, posizione della stimolazione, ecc.) durante l’intervento chirurgico”, racconta Mondo della fisica.
In futuro, il team spera di stabilire fUSI come piattaforma per studiare la funzione del midollo spinale e sviluppare sistemi di neuromodulazione clinica a circuito chiuso in tempo reale. “Abbiamo recentemente presentato per la pubblicazione uno studio clinico dimostrando che il fUSI è in grado di rilevare le reti nel midollo spinale umano in cui l’attività è fortemente correlata alla pressione della vescica”, afferma Christopoulos. “Questa scoperta apre nuove strade per lo sviluppo di tecnologie di interfaccia macchina del midollo spinale per ripristinare il controllo della vescica nei pazienti con incontinenza urinaria, come quelli con lesioni del midollo spinale”.
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- Fonte: https://physicsworld.com/a/functional-ultrasound-imaging-provides-real-time-feedback-during-spinal-surgery/
