Koncepcijos įrodymo tyrimas yra naujos smegenų vaizdavimo technikos pradininkas, naudojant skaidrų kaukolės implantą

Koncepcijos įrodymo tyrimas yra naujos smegenų vaizdavimo technikos pradininkas, naudojant skaidrų kaukolės implantą

Gyvensena mityba, dietos, judėjimas

Pirmajame tokio pobūdžio tyrime mokslininkai iš Kecko medicinos mokyklos USC ir Kalifornijos technologijos instituto (Caltech) suprojektavo ir implantavo permatomą langą į paciento kaukolę, o tada naudojo funkcinį ultragarsinį vaizdą (fUSI), kad surinktų aukštus duomenis. – raiškos smegenų vaizdo duomenys per langą.

Jų preliminarios išvados, paskelbtos m Mokslas Transliacinė medicinarodo, kad šis jautrus, neinvazinis metodas galėtų atverti naujas pacientų stebėjimo ir klinikinių tyrimų galimybes, taip pat platesnius smegenų veikimo tyrimus.

„Tai pirmas kartas, kai kas nors pritaikė funkcinį ultragarsinį vaizdą, pakeičiant kaukolę budinčiam, besielgiančiam žmogui, atliekančiam užduotį“, – sakė klinikinės neurologinės chirurgijos, urologijos ir chirurgijos profesorius Charlesas Liu, medicinos mokslų daktaras. Keck medicinos mokykla ir USC Neurorestoration centro direktorius.

„Gebėjimas neinvaziniu būdu išgauti tokio tipo informaciją per langą yra gana reikšmingas, ypač dėl to, kad daugelis pacientų, kuriems reikia taisyti kaukolę, turi arba turės neurologinių sutrikimų. Be to, „langai” gali būti chirurginiu būdu implantuojami pacientams, kurių kaukolės nepažeistos. funkcinė informacija gali padėti diagnozuoti ir gydyti.”

Tyrimo dalyvis, 39 metų Jaredas Hageris, 2019 m. patyrė trauminį smegenų sužalojimą (TBI) dėl nelaimingo atsitikimo važiuojant riedlente. Per skubią operaciją buvo pašalinta pusė Hagerio kaukolės, kad būtų sumažintas spaudimas smegenims, dalis smegenų liko uždengta. tik su oda ir jungiamuoju audiniu. Dėl pandemijos jam teko laukti daugiau nei dvejus metus, kol jo kaukolė bus atkurta protezu.

Per tą laiką Hageris savanoriškai dalyvavo ankstesniuose tyrimuose, kuriuos atliko Liu, Jonathan Russin, MD, USC Neurorestoration Center asocijuotasis chirurgijos direktorius, ir kita Caltech komanda naujo tipo smegenų vaizdavimo srityje, vadinamoje fPACT.

Eksperimentinė technika buvo atlikta su minkštaisiais audiniais, tačiau ją buvo galima išbandyti tik tokių pacientų, kaip Hagerio, smegenyse, kuriems trūko dalies kaukolės. Kai atėjo laikas implantuoti protezą, Hageris vėl pasisiūlė bendradarbiauti su Liu ir jo kolegomis, kurie sukūrė individualų kaukolės implantą, kad ištirtų fUSI naudą, kurios negalima atlikti per kaukolę ar tradicinį implantą, ir taisyti Hagerio sužalojimą. .

Prieš rekonstrukcinę operaciją tyrėjų komanda išbandė ir optimizavo smegenų vaizdavimo fUSI parametrus, naudodama fantomą (mokslinį prietaisą, skirtą medicininio vaizdo gavimo įrangai išbandyti), ir gyvūnų modelius. Tada jie surinko FUSI duomenis iš Hagerio, kai jis atliko keletą užduočių, tiek prieš operaciją, tiek po skaidraus implanto įdiegimo, ir nustatė, kad langas yra veiksmingas būdas išmatuoti smegenų veiklą.

Funkcinis smegenų vaizdavimas, renkantis duomenis apie smegenų veiklą, matuojant kraujo tėkmės ar elektrinių impulsų pokyčius, gali suteikti pagrindinių įžvalgų apie smegenų veiklą tiek sveikiems žmonėms, tiek tiems, kurie serga neurologinėmis ligomis.

Tačiau dabartiniai metodai, tokie kaip funkcinis magnetinio rezonanso tomografija (fMRI) ir intrakranijinė elektroencefalografija (EEG), palieka daug neatsakytų klausimų. Iššūkiai apima mažą skiriamąją gebą, perkeliamumo trūkumą arba invazinės smegenų operacijos poreikį. fUSI galiausiai gali pasiūlyti jautrią ir tikslią alternatyvą.

„Jei galime išgauti funkcinę informaciją per paciento kaukolės implantą, tai leistų mums gydyti saugesnį ir aktyvesnį”, įskaitant TBI pacientus, kurie kenčia nuo epilepsijos, demencijos ar psichikos problemų, sakė Liu.

Nauja smegenų vaizdavimo siena

Kaip šio tyrimo pagrindas, Liu daugelį metų bendradarbiavo su mokslų daktaru Michailu Shapiro. ir Richardas Andersenas, mokslų daktaras iš Caltech, siekiant sukurti specializuotas ultragarso sekas, kurios gali išmatuoti smegenų funkciją, taip pat optimizuoti smegenų ir kompiuterio sąsajos technologiją, kuri transkribuoja smegenų signalus, kad galėtų valdyti išorinį įrenginį.

Įdėjus šias dalis, Liu ir jo kolegos išbandė keletą skaidrių kaukolės implantų su žiurkėmis ir nustatė, kad plonas langas, pagamintas iš polimetilmetakrilato (PMMA), primenančio organinį stiklą, davė aiškiausius vaizdo gavimo rezultatus. Tada jie bendradarbiavo su neurotechnologijų įmone „Longeviti Neuro Solutions“, kad sukurtų individualų implantą Hageriui.

Prieš operaciją mokslininkai rinko fUSI duomenis, o Hageris atliko dvi užduotis: kompiuterio monitoriuje sprendė „taškų sujungimo“ galvosūkį ir grojo melodijas savo gitara. Įdiegę implantą, jie rinko duomenis apie tas pačias užduotis, tada palygino rezultatus, kad nustatytų, ar fUSI gali pateikti tikslius ir naudingus vaizdo duomenis.

„Ištikimumas, žinoma, sumažėjo, bet svarbu tai, kad mūsų tyrimai parodė, kad jis vis dar pakankamai aukštas, kad būtų naudingas“, – sakė Liu. „Ir skirtingai nuo kitų smegenų ir kompiuterio sąsajų platformų, kurioms reikia implantuoti elektrodus į smegenis, tai turi daug mažiau kliūčių pritaikymui.”

fUSI gali pasiūlyti geresnę skiriamąją gebą nei fMRT ir, skirtingai nei intrakranijinis EEG, jam nereikia implantuoti elektrodų į smegenis. Jis taip pat yra pigesnis nei tie metodai ir gali suteikti pacientams klinikinių pranašumų, palyginti su neskaidriais kaukolės implantais, sakė Russinas, kuris taip pat yra Kecko medicinos mokyklos neurologinės chirurgijos docentas ir Keck ligoninės smegenų kraujagyslių chirurgijos direktorius. USC.

„Viena iš didžiausių problemų, kai atliekame šias operacijas, yra ta, kad po implantu gali susidaryti kraujo krešulys, tačiau turėdami aiškų langelį galime lengvai tai stebėti“, – sakė jis.

Tobulėja funkcinė ultragarso technologija

Be geresnio pacientų stebėjimo, naujasis metodas galėtų suteikti gyventojų lygio įžvalgų apie TBI ir kitas neurologines sąlygas. Tai taip pat leistų mokslininkams rinkti duomenis apie sveikas smegenis ir sužinoti daugiau apie tai, kaip jos kontroliuoja pažinimo, jutimo, motorines ir autonomines funkcijas.

„Mūsų išvados rodo, kad šiuo metodu galime išgauti naudingą funkcinę informaciją“, – sakė Liu. „Kitas žingsnis yra: kokios konkrečios funkcinės informacijos mes norime ir kam galime ją panaudoti?”

Kol naujosios technologijos nebus išbandytos klinikiniais tyrimais, fUSI ir skaidrus implantas yra eksperimentiniai. Tuo tarpu tyrimų grupė stengiasi patobulinti savo fUSI protokolus, kad dar labiau pagerintų vaizdo skiriamąją gebą. Būsimi tyrimai taip pat turėtų būti grindžiami šiuo ankstyvu koncepcijos įrodymu, išbandant daugiau dalyvių, siekiant geriau nustatyti ryšį tarp fUSI duomenų ir konkrečių smegenų funkcijų, sakė mokslininkai.

„Jaredas yra nuostabus vaikinas”, – sakė Liu, kuris ir toliau bendradarbiauja su tyrimo dalyviu tobulinant naujas technologijas, įskaitant lazerinę spektroskopiją, kuri matuoja kraujotaką smegenyse. „Jo indėlis tikrai padėjo mums ištirti naujas ribas, kurios, tikimės, galiausiai gali padėti daugeliui kitų pacientų.