Skador på ryggmärgen, oavsett om det är genom skada eller sjukdom, kan ha förödande effekter på hälsan, inklusive förlust av motoriska eller sensoriska funktioner, eller kronisk ryggsmärta, som drabbar uppskattningsvis 540 miljoner människor vid varje given tidpunkt. Ett USA-baserat forskarlag har nu använt funktionell ultraljudsavbildning (fUSI) för att visualisera ryggmärgen och kartlägga dess svar på elektrisk stimulering i realtid, ett tillvägagångssätt som kan förbättra behandlingar av kronisk ryggsmärta.
Trots att de spelar en central roll i sensoriska, motoriska och autonoma funktioner är lite känt om den mänskliga ryggmärgens funktionella arkitektur. Traditionella neuroavbildningstekniker, såsom funktionell MRI (fMRI), hindras av starka rörelseartefakter som genereras av hjärtpulsation och andning.
Däremot påverkas fUSI mindre av rörelseartefakter och kan avbilda ryggmärgen med hög spatiotemporal upplösning (ungefär 100 µm och upp till 100 ms) och hög känslighet för långsamt flödande blod under operation. Det fungerar genom att sända ut ultraljudsvågor till ett område av intresse och detektera ekosignalen från blodkroppar som flödar i den regionen (kraftdopplersignalen). En annan fördel är att fUSI-skannern är mobil, vilket eliminerar den omfattande infrastruktur som krävs för fMRI-system.
"Ryggmärgen rymmer de neurala kretsar som styr och modulerar några av livets viktigaste funktioner, såsom andning, sväljning och urinering. Men det har ofta försummats i studiet av neurala funktioner, förklarar ledaren Vasileios Christopoulos från University of California Riverside. "Funktionell ultraljudsavbildning övervinner begränsningarna hos traditionella neuroavbildningsteknologier och kan övervaka ryggmärgens aktivitet med högre spatiotemporal upplösning och känslighet än fMRI."
Tidigare forskning har visat att fUSI kan mäta hjärnaktivitet hos djur och mänskliga patienter, inklusive en studie som visar att lågfrekventa fluktuationer i kraftdopplersignalen är starkt korrelerade med neuronal aktivitet. På senare tid använde forskare fUSI för att avbilda ryggmärgssvar på elektrisk stimulering hos djur.
I detta senaste arbete, Christopoulos och kollegor – också från USC Neurorestoration Center vid Keck School of Medicine – använde fUSI för att karakterisera hemodynamisk aktivitet (förändringar i blodflödet) i ryggmärgen som svar på epidural elektrisk ryggmärgsstimulering (ESCS) – ett neuromoduleringsverktyg som används för att behandla smärttillstånd som inte svarar på traditionella terapier.
I en första in-human studie övervakade teamet hemodynamisk aktivitet hos sex patienter som genomgick implantation av en terapeutisk ESCS-enhet för att behandla kronisk ryggsmärta, och rapporterade fynden i Neuron.
Genom att använda en liknande mekanism som fMRI, förlitar sig fUSI på det neurovaskulära kopplingsfenomenet, där ökad neural aktivitet orsakar lokala förändringar i blodflödet för att möta de metaboliska kraven från aktiva neuroner. Teamet använde en miniatyriserad 15 MHz linjär array-omvandlare för att utföra fUSI, satte in den kirurgiskt på ryggmärgen vid den tionde bröstkotan (T10), med stimuleringselektroderna placerade för att spänna över T8–9-ryggradssegmenten. De inspelade bilderna hade en 100 x 100 µm rumslig upplösning, en skivtjocklek på cirka 400 µm och ett 12.8 x 10 mm synfält.
Fyra patienter fick 10 PÅ–AV-cykler av lågströmsstimulering (3.0 mA), omfattande 30 sekunder med stimulering och sedan 30 sekunder utan. Stimulering orsakade regionala förändringar i ryggmärgens hemodynamik, där vissa regioner uppvisade signifikanta ökningar av blodflödet och andra visade signifikanta minskningar. När väl stimuleringen stängdes av återgick blodflödet till det ursprungliga tillståndet.
För att bedöma om fUSI kan upptäcka hemodynamiska förändringar associerade med olika stimuleringsprotokoll, fick de återstående två patienterna fem PÅ–AV-cykler med 3.0 mA-stimulering följt av fem cykler med 4.5 mA-stimulering, med en 3-minuters paus mellan de två. Forskarna fann att en ökning av strömamplituden från 3.0 till 4.5 mA inte förändrade den rumsliga fördelningen av de aktiverade ryggmärgsregionerna. Högströmsstimulering inducerade dock starkare hemodynamiska förändringar på ryggmärgen.
Denna förmåga hos fUSI att differentiera hemodynamiska svar framkallade av olika ESCS-strömmar är ett viktigt steg mot att utveckla ett ultraljudsbaserat kliniskt övervakningssystem för att optimera stimuleringsparametrar. Christopoulos förklarar att eftersom patienter är sövda under ryggmärgsoperationer kan de inte rapportera om det tillämpade elektriska stimuleringsprotokollet faktiskt minskar smärta. Som sådan kan neurokirurgen inte exakt bedöma effekterna av neuromodulering i realtid.
Microelectrode array kan möjliggöra säkrare ryggmärgskirurgi
"Vår studie ger ett första proof-of-concept att fUSI-teknologi kan användas för att utveckla kliniska neuromoduleringssystem med slutna slinga, vilket gör det möjligt för neurokirurger att justera stimuleringsparametrar (pulsbredd, pulsform, frekvens, strömamplitud, placering av stimulering, etc.) under operationen, säger han Fysikvärlden.
I framtiden hoppas teamet kunna etablera fUSI som en plattform för att undersöka ryggmärgsfunktion och utveckla kliniska neuromoduleringssystem i realtid med slutna slinga. "Vi skickade nyligen in för publicering en klinisk studie visar att fUSI kan upptäcka nätverk i den mänskliga ryggmärgen där aktiviteten är starkt korrelerad med blåstrycket, säger Christopoulos. "Detta fynd öppnar nya vägar för utveckling av gränssnittsteknologier för ryggmärgsmaskiner för att återställa blåskontrollen hos patienter med urininkontinens, till exempel de med ryggmärgsskada."
- SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
- Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
- PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
- Källa: https://physicsworld.com/a/functional-ultrasound-imaging-provides-real-time-feedback-during-spinal-surgery/
