怪我や病気による脊髄損傷は、運動機能や感覚機能の喪失、慢性的な腰痛など、健康に壊滅的な影響を与える可能性があり、常時推定540億XNUMX万人が影響を受けています。米国を拠点とする研究チームは今回、機能的超音波画像法（fUSI）を使用して脊髄を視覚化し、電気刺激に対する反応をリアルタイムでマッピングした。これは慢性腰痛の治療を改善する可能性があるアプローチである。
感覚、運動、自律神経機能において中心的な役割を果たしているにもかかわらず、人間の脊髄の機能的構造についてはほとんど知られていません。機能的 MRI (fMRI) などの従来の神経画像技術は、心臓の拍動や呼吸によって生成される強い動きによるアーチファクトによって妨げられます。
対照的に、fUSI は動作アーチファクトの影響が少なく、高い時空間分解能 (約 100 μm、最大 100 ms) と手術中のゆっくりとした血液の流れに対する高い感度で脊髄を画像化できます。これは、対象領域に超音波を放射し、その領域を流れる血球からのエコー信号 (パワードップラー信号) を検出することによって機能します。もう XNUMX つの利点は、fUSI スキャナがモバイルであるため、fMRI システムに必要な大規模なインフラストラクチャが不要になることです。
「脊髄には、呼吸、嚥下、排尿などの生命の最も重要な機能のいくつかを制御および調節する神経回路が収められています。しかし、神経機能の研究ではしばしば無視されてきました」とリード・コンタクトは説明する。 ヴァシリオス・クリストプロス カリフォルニア大学リバーサイド校出身。 「機能的超音波イメージングは、従来の神経イメージング技術の限界を克服し、fMRI よりも高い時空間分解能と感度で脊髄の活動をモニタリングできます。」
これまでの研究では、パワードップラー信号の低周波変動がニューロンの活動と強い相関があることを示した研究を含め、fUSI が動物や人間の患者の脳活動を測定できることが実証されています。最近では、研究者は fUSI を使用して動物の電気刺激に対する脊髄反応を画像化しました。
この最新の研究では、Christopoulos とその同僚たちも、 USC神経修復センター ケック医学部では、fUSI を使用して、硬膜外脊髄電気刺激 (ESCS) に反応する脊髄の血行力学的活動 (血流の変化) を特徴付けました。ESCS は、従来の治療法では反応しない疼痛状態の治療に使用される神経調節ツールです。治療法。
最初のヒトにおける研究で、チームは慢性腰痛を治療するために治療用 ESCS 装置の埋め込みを受けている 6 人の患者の血行力学的活動をモニタリングし、その結果を報告しました。 ニューロン.
fUSI は、fMRI と同様のメカニズムを利用し、神経活動の増加により血流の局所的な変化が引き起こされ、活動中のニューロンの代謝要求を満たす神経血管結合現象に依存しています。研究チームは、fUSI を実行するために小型の 15 MHz リニア アレイ トランスデューサを使用し、それを第 10 胸椎 (T8) の脊髄に外科的に挿入し、T9 ～ 100 の脊髄分節にまたがるように刺激電極を配置しました。記録された画像は、100 x 400 μm の空間解像度、約 12.8 μm のスライス厚、および 10 x XNUMX mm の視野を持っていました。
10 人の患者は、3.0 秒間の刺激と 30 秒間の刺激なしで構成される、低電流 (30 mA) 刺激の XNUMX 回の ON-OFF サイクルを受けました。刺激は脊髄の血行力学に局所的な変化を引き起こし、一部の領域では血流量の大幅な増加が見られ、他の領域では血流量の大幅な減少が見られました。刺激をオフにすると、血流は初期状態に戻りました。
fUSI が異なる刺激プロトコルに関連する血行力学的変化を検出できるかどうかを評価するために、残りの 3.0 人の患者は、4.5 mA 刺激の ON-OFF サイクルを 3 回受け、その後 3.0 mA 刺激を 4.5 サイクル受け、その間に XNUMX 分間の休止を挟みました。研究者らは、電流振幅を XNUMX mA から XNUMX mA に増加しても、活性化された脊髄領域の空間分布は変化しないことを発見しました。しかし、高電流刺激は脊髄に強い血行力学的変化を引き起こしました。
異なる ESCS 電流によって引き起こされる血行力学的反応を区別する fUSI のこの機能は、刺激パラメーターを最適化するための超音波ベースの臨床モニタリング システムの開発に向けた重要なステップです。 Christopoulos 氏は、脊髄手術中は患者に麻酔がかかるため、適用された電気刺激プロトコルが実際に痛みを軽減するかどうかを報告することはできないと説明しています。そのため、脳神経外科医は神経調節の影響をリアルタイムで正確に評価することができません。
微小電極アレイは、より安全な脊髄手術を可能にする可能性があります
「私たちの研究は、fUSIテクノロジーを使用して閉ループ臨床神経調節システムを開発し、神経外科医が刺激パラメータ（パルス幅、パルス形状、周波数、電流振幅、刺激の位置など）を調整できるようにするという最初の概念実証を提供します。」手術中」と彼は言う 物理学の世界.
将来的には、チームは脊髄機能を調査し、リアルタイムの閉ループ臨床神経調節システムを開発するためのプラットフォームとして fUSI を確立したいと考えています。 「私たちは最近出版を申請しました 臨床研究 これは、fUSI が、活動が膀胱圧と強く相関している人間の脊髄内のネットワークを検出できることを実証しています」とクリストプロス氏は述べています。 「この発見は、脊髄損傷などの尿失禁患者の膀胱制御を回復するための脊髄機械インターフェース技術の開発に新たな道を開くものです。」
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- 情報源： https://physicsworld.com/a/functional-ultrasound-imaging-provides-real-time-feedback-during-spinal-surgery/
