Повреждение спинного мозга, будь то в результате травмы или заболевания, может иметь разрушительные последствия для здоровья, включая потерю двигательных или сенсорных функций или хронические боли в спине, от которых в любой момент времени страдают примерно 540 миллионов человек. Исследовательская группа из США теперь использовала функциональную ультразвуковую визуализацию (fUSI) для визуализации спинного мозга и картирования его реакции на электрическую стимуляцию в режиме реального времени. Этот подход может улучшить лечение хронической боли в спине.
Несмотря на то, что он играет центральную роль в сенсорных, двигательных и вегетативных функциях, о функциональной архитектуре спинного мозга человека мало что известно. Традиционным методам нейровизуализации, таким как функциональная МРТ (фМРТ), мешают сильные артефакты движения, вызванные пульсацией сердца и дыханием.
Напротив, на fUSI меньше влияют артефакты движения, и он может отображать спинной мозг с высоким пространственно-временным разрешением (примерно 100 мкм и до 100 мс) и высокой чувствительностью к медленно текущей крови во время операции. Он работает путем излучения ультразвуковых волн в интересующую область и обнаружения отраженного сигнала от клеток крови, текущих в этой области (энергетический доплеровский сигнал). Еще одним преимуществом является то, что сканер fUSI является мобильным, что исключает необходимость в обширной инфраструктуре, необходимой для систем фМРТ.
«В спинном мозге находится нервная система, которая контролирует и модулирует некоторые из наиболее важных функций жизни, таких как дыхание, глотание и мочеиспускание. Однако им часто пренебрегают при изучении нейронных функций», — объясняет ведущий контакт. Василиос Христопулос из Калифорнийского университета Риверсайд. «Функциональная ультразвуковая визуализация преодолевает ограничения традиционных технологий нейровизуализации и может контролировать активность спинного мозга с более высоким пространственно-временным разрешением и чувствительностью, чем фМРТ».
Предыдущие исследования показали, что fUSI может измерять активность мозга у животных и людей, в том числе одно исследование показало, что низкочастотные колебания энергетического доплеровского сигнала сильно коррелируют с активностью нейронов. Совсем недавно исследователи использовали fUSI для визуализации реакции спинного мозга на электрическую стимуляцию у животных.
В этой последней работе Христопулос и его коллеги – также из Центр нейрореставрации USC в Медицинской школе Кека - использовал fUSI для характеристики гемодинамической активности (изменений кровотока) в спинном мозге в ответ на эпидуральную электрическую стимуляцию спинного мозга (ESCS) - инструмент нейромодуляции, используемый для лечения болевых состояний, которые не реагируют на традиционные методы лечения. терапии.
В первом исследовании на людях команда отслеживала гемодинамическую активность у шести пациентов, перенесших имплантацию терапевтического устройства ESCS для лечения хронической боли в спине, сообщив о результатах в Нейрон.
Используя механизм, аналогичный фМРТ, фУЗИ опирается на феномен нейроваскулярной связи, при котором повышенная нервная активность вызывает локализованные изменения в кровотоке для удовлетворения метаболических потребностей активных нейронов. Команда использовала миниатюрный линейный датчик с частотой 15 МГц для выполнения фУЗИ, хирургически вставив его в спинной мозг в районе десятого грудного позвонка (Т10), а электроды стимуляции разместили так, чтобы охватить сегменты позвоночника Т8–9. Записанные изображения имели пространственное разрешение 100 х 100 мкм, толщину среза около 400 мкм и поле зрения 12.8 х 10 мм.
Четверо пациентов получили 10 циклов ВКЛ-ВЫКЛ слаботочной (3.0 мА) стимуляции, состоящих из 30 с со стимуляцией и 30 с без нее. Стимуляция вызывала региональные изменения в гемодинамике спинного мозга, при этом в некоторых регионах наблюдалось значительное увеличение кровотока, а в других - значительное снижение. После прекращения стимуляции кровоток возвращался к исходному состоянию.
Чтобы оценить, может ли фУЗИ обнаружить гемодинамические изменения, связанные с различными протоколами стимуляции, оставшиеся два пациента получили пять циклов ВКЛ-ВЫКЛ стимуляции током 3.0 мА, за которыми следовали пять циклов стимуляции током 4.5 мА с 3-минутной паузой между ними. Исследователи обнаружили, что увеличение амплитуды тока с 3.0 до 4.5 мА не изменило пространственное распределение активированных участков спинного мозга. Однако сильноточная стимуляция вызывала более сильные гемодинамические изменения в спинном мозге.
Эта способность фУЗИ дифференцировать гемодинамические реакции, вызванные различными токами ЭССМ, является важным шагом на пути разработки системы клинического мониторинга на основе ультразвука для оптимизации параметров стимуляции. Христопулос объясняет, что, поскольку пациенты находятся под наркозом во время операции на спинном мозге, они не могут сообщить, действительно ли применяемый протокол электростимуляции уменьшает боль. Таким образом, нейрохирург не может точно оценить эффекты нейромодуляции в режиме реального времени.
Массив микроэлектродов может обеспечить более безопасную операцию на спинном мозге
«Наше исследование представляет собой первое доказательство концепции того, что технология fUSI может быть использована для разработки клинических систем нейромодуляции с замкнутым контуром, позволяющих нейрохирургам регулировать параметры стимуляции (ширину импульса, форму импульса, частоту, амплитуду тока, место стимуляции и т. д.) во время операции», — рассказывает он. Мир физики.
В будущем команда надеется превратить fUSI в платформу для исследования функции спинного мозга и разработки замкнутых клинических систем нейромодуляции в режиме реального времени. «Недавно мы представили для публикации клиническое исследование демонстрируя, что fUSI способен обнаруживать сети в спинном мозге человека, активность которых сильно коррелирует с давлением в мочевом пузыре», — говорит Христопулос. «Это открытие открывает новые возможности для разработки технологий машинного интерфейса спинного мозга для восстановления контроля над мочевым пузырем у пациентов с недержанием мочи, например, с травмой спинного мозга».
- SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
- PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
- ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
- ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
- ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
- Источник: https://physicsworld.com/a/functional-ultrasound-imaging-provides-real-time-feedback-during-spinal-surgery/
