«Окно в череп» позволило исследовать активность мозга человека с помощью УЗИ

Мозг недосягаем для ультразвуковых исследований из-за черепных костей. Ученые из США изготовили имплант из полиметилметакрилата, пропускающий ультразвуковые волны, для закрытия раны после гемикраниэктомии. Его установили мужчине, у которого был удален участок черепа с левой стороны. Допплерография, проводимая сквозь имплант, фиксировала изменение кровотока при выполнении разных заданий, на основании чего авторы делали вывод об активности нейронов.

Изображение:
Прозрачный для ультразвуковых волн имплант из полиметилметакрилата, устанавливаемый взамен удаленного участка черепа, позволит проводить ультразвуковые исследования активности мозга.
Credit:
Todd Patterson | пресс-релиз

Для диагностики, мониторинга и лечения неврологических и психиатрических заболеваний недостаточно существующих методов диагностики. Функциональная МРТ имеет ограниченную чувствительность и пространственно-временное разрешение; скальповая (поверхностная) электроэнцефалография и функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия (fNIRS) не могут измерять активность глубоких структур мозга; внутричерепная электроэнцефалография и электрокортикография требуют введения электродов под череп или в мозг; для ультразвуковой локационной микроскопии нужны внутривенные инфузии. Функциональная ультразвуковая визуализация (fUSI) — новый способ нейроимаджинга. В основе fUSI лежит допплерография, при этом вычисляется изменение объема церебральной крови, которое коррелирует с активностью нейронов исследуемой области. Пространственная точность метода приближается к 100 мкм при частоте до 10 Гц, что позволяет детектировать активность небольших популяций нейронов. Метод не подвергает человека облучению и хорошо проявил себя в исследованиях на грызунах, птицах, нечеловеческих приматах и людях. Для fUSI не нужно вводить контрастные вещества или имплантировать электроды, но для крупных животных с толстыми черепными костями требуется удалять участок черепа. В нескольких исследованиях на человеке fUSI использовался во время нейрохирургической операции или через передний родничок у новорожденных. А что если разработать прозрачное для ультразвука окно, которым можно будет закрывать дефект черепа после декомпрессионной гемикраниэктомии и исследовать мозг с помощью УЗ-волн? У авторов статьи в Science Translational Medicine это получилось.

Для изготовления окна был выбран полиметилметакрилат (ПММА). Ученые проверили качество визуализации по интенсивности допплеровских сигналов на искусственной модели кровотока. Как и предполагалось, интенсивность сигнала уменьшалась с увеличением толщины импланта из ПММА. В опытах на крысах авторы подтвердили, что окно из ПММА должно быть настолько тонким, насколько позволяет безопасность.

Чтобы проверить возможность применения fUSI через постоянный имплант из ПММА, ученые пригласили мужчину-добровольца 39 лет. Примерно за 30 месяцев до реконструкции черепа он получил черепно-мозговую травму при падении со скейтборда и перенес левую декомпрессионную гемикраниэктомию размером 16×10 см. Перед установлением импланта мозг участника визуализировали с помощью допплерографии через неповрежденную кожу головы без кости. На основании МРТ-картины был изготовлен имплант из ПММА с окном для ультразвука. Окно имело размеры 34 мм×50 мм и толщину 2 мм; области импланта, окружающие ультразвуковое окно, были толщиной 4 мм. По расчетам, такой имплант может быть постоянной заменой черепной кости. Ультразвуковое окно расположили над участками первичной моторной коры, первичной соматосенсорной коры и задней теменной коры. Эти области участвуют в обработке соматических сенсорных сигналов от тела и в хватании и использовании предметов, и для анализа их работы участника попросили выполнить задания. В первом задании нужно было соединить точки на мониторе компьютера, используя джойстик. Было выявлено несколько областей мозга, которые активировались и не активировались во время выполнения задания. В неактивных областях сигнал оставался стабильным во время выполнения и отдыха, в активных областях наблюдали увеличение активности при выполнении задания и снижение активности во время отдыха. У авторов получилось декодировать полученный сигнал с точностью 84,7%. Во втором задании участник играл на гитаре. При этом некоторые активированные области перекрывались с областями, активированными во время первого задания.

Новая технология позволит наблюдать за пациентами с ЧМТ и другими неврологическими заболеваниями, а также изучать функции здорового мозга.


Свечение клеток мозга детектировали с помощью МРТ

Источник

Claire Rabut et al. Functional ultrasound imaging of human brain activity through an acoustically transparent cranial window // Science Translational Medicine 16 (749). May 29, 2024. DOI: 10.1126/scitranslmed.adj3143
Добавить в избранное