Schade aan het ruggenmerg, hetzij door letsel of ziekte, kan verwoestende gevolgen hebben voor de gezondheid, waaronder verlies van motorische of sensorische functies, of chronische rugpijn, waar naar schatting op elk moment 540 miljoen mensen last van hebben. Een in de VS gevestigd onderzoeksteam heeft nu functionele echografie (fUSI) gebruikt om het ruggenmerg te visualiseren en de reactie op elektrische stimulatie in realtime in kaart te brengen, een aanpak die de behandeling van chronische rugpijn zou kunnen verbeteren.
Ondanks dat het een centrale rol speelt in sensorische, motorische en autonome functies, is er weinig bekend over de functionele architectuur van het menselijk ruggenmerg. Traditionele neuroimaging-technieken, zoals functionele MRI (fMRI), worden belemmerd door sterke bewegingsartefacten die worden gegenereerd door hartpulsatie en ademhaling.
Daarentegen wordt fUSI minder beïnvloed door bewegingsartefacten en kan het ruggenmerg in beeld worden gebracht met een hoge spatiotemporele resolutie (ongeveer 100 µm en tot 100 ms) en een hoge gevoeligheid voor langzaam stromend bloed tijdens de operatie. Het werkt door ultrasone golven uit te zenden in een interessegebied en het echosignaal te detecteren van bloedcellen die in dat gebied stromen (het power Doppler-signaal). Een ander voordeel is dat de fUSI-scanner mobiel is, waardoor de uitgebreide infrastructuur die nodig is voor fMRI-systemen wordt geëlimineerd.
“In het ruggenmerg bevinden zich de neurale circuits die enkele van de belangrijkste levensfuncties controleren en moduleren, zoals ademhalen, slikken en mictie. Het wordt echter vaak verwaarloosd in het onderzoek naar de neurale functie”, legt leadcontact uit Vasileios Christopoulos van de Universiteit van Californië Riverside. “Functionele echografie overwint de beperkingen van traditionele neuroimaging-technologieën en kan de activiteit van het ruggenmerg monitoren met een hogere spatiotemporele resolutie en gevoeligheid dan fMRI.”
Eerder onderzoek heeft aangetoond dat fUSI de hersenactiviteit bij dieren en menselijke patiënten kan meten, waaronder één onderzoek dat aantoont dat laagfrequente fluctuaties in het power Doppler-signaal sterk gecorreleerd zijn met neuronale activiteit. Meer recentelijk hebben onderzoekers fUSI gebruikt om de reacties van het ruggenmerg op elektrische stimulatie bij dieren in beeld te brengen.
In dit nieuwste werk, Christopoulos en collega's – ook van de USC Neurorestauratiecentrum aan de Keck School of Medicine – gebruikte fUSI om de hemodynamische activiteit (veranderingen in de bloedstroom) in het ruggenmerg te karakteriseren als reactie op epidurale elektrische ruggenmergstimulatie (ESCS) – een neuromodulatiehulpmiddel dat wordt gebruikt om pijnaandoeningen te behandelen die niet reageren op traditionele therapieën.
In een eerste onderzoek bij mensen volgde het team de hemodynamische activiteit bij zes patiënten die implantatie ondergingen van een therapeutisch ESCS-apparaat om chronische rugpijn te behandelen. Neuron.
Door gebruik te maken van een mechanisme dat vergelijkbaar is met fMRI, vertrouwt fUSI op het neurovasculaire koppelingsfenomeen, waarbij verhoogde neurale activiteit gelokaliseerde veranderingen in de bloedstroom veroorzaakt om aan de metabolische eisen van actieve neuronen te voldoen. Het team gebruikte een geminiaturiseerde 15-MHz lineaire array-transducer om fUSI uit te voeren, waarbij deze operatief in het ruggenmerg werd ingebracht ter hoogte van de tiende thoracale wervel (T10), waarbij de stimulatie-elektroden werden geplaatst om de T8-9-wervelkolomsegmenten te overspannen. De opgenomen beelden hadden een ruimtelijke resolutie van 100 x 100 µm, een plakdikte van ongeveer 400 µm en een gezichtsveld van 12.8 x 10 mm.
Vier patiënten ontvingen 10 AAN-UIT-cycli van stimulatie met lage stroomsterkte (3.0 mA), bestaande uit 30 seconden met stimulatie en vervolgens 30 seconden zonder. Stimulatie veroorzaakte regionale veranderingen in de hemodynamiek van het ruggenmerg, waarbij sommige regio's een significante toename van de bloedstroom vertoonden en andere een significante afname. Nadat de stimulatie was uitgeschakeld, keerde de bloedstroom terug naar de oorspronkelijke toestand.
Om te beoordelen of fUSI hemodynamische veranderingen kan detecteren die verband houden met verschillende stimulatieprotocollen, ontvingen de overige twee patiënten vijf AAN-UIT-cycli van 3.0 mA-stimulatie gevolgd door vijf cycli van 4.5 mA-stimulatie, met een pauze van 3 minuten tussen de twee. De onderzoekers ontdekten dat het verhogen van de stroomamplitude van 3.0 naar 4.5 mA de ruimtelijke verdeling van de geactiveerde ruggenmerggebieden niet veranderde. Stimulatie met hoge stroomsterkte induceerde echter sterkere hemodynamische veranderingen in het ruggenmerg.
Dit vermogen van fUSI om hemodynamische reacties te differentiëren die worden opgewekt door verschillende ESCS-stromen is een belangrijke stap in de richting van de ontwikkeling van een op echografie gebaseerd klinisch monitoringsysteem om stimulatieparameters te optimaliseren. Christopoulos legt uit dat patiënten, omdat ze onder narcose worden gebracht tijdens een operatie aan het ruggenmerg, niet kunnen melden of het toegepaste elektrische stimulatieprotocol daadwerkelijk de pijn vermindert. Als zodanig kan de neurochirurg de effecten van neuromodulatie in realtime niet nauwkeurig beoordelen.
Micro-elektrode-array zou een veiligere operatie aan het ruggenmerg mogelijk kunnen maken
“Onze studie biedt een eerste proof-of-concept dat fUSI-technologie kan worden gebruikt om klinische neuromodulatiesystemen met gesloten lus te ontwikkelen, waardoor neurochirurgen stimulatieparameters kunnen aanpassen (pulsbreedte, pulsvorm, frequentie, stroomamplitude, locatie van stimulatie, enz.) tijdens de operatie”, vertelt hij Natuurkunde wereld.
In de toekomst hoopt het team fUSI op te richten als een platform voor het onderzoeken van de functie van het ruggenmerg en het ontwikkelen van real-time gesloten-lus klinische neuromodulatiesystemen. “We hebben onlangs een aanvraag ingediend voor publicatie een klinische studie wat aantoont dat fUSI in staat is netwerken in het menselijk ruggenmerg te detecteren waar activiteit sterk gecorreleerd is met de blaasdruk”, zegt Christopoulos. “Deze bevinding opent nieuwe wegen voor de ontwikkeling van machine-interfacetechnologieën voor het ruggenmerg om de controle over de blaas te herstellen bij patiënten met urine-incontinentie, zoals patiënten met een dwarslaesie.”
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
- PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
- Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
- Bron: https://physicsworld.com/a/functional-ultrasound-imaging-provides-real-time-feedback-during-spinal-surgery/
