Ultrassom focado permite terapia não invasiva precisa



A neuromodulação não invasiva fornecida através de ultrassom focado em baixa intensidade pode ter seletividade específica do tipo celular na manipulação de neurônios.

O He Lab da Universidade Carnegie Mellon está focando em soluções de neuroengenharia não invasivas que não só fornecem técnicas de diagnóstico, mas também opções inovadoras de tratamento. Suas pesquisas mais recentes demonstraram que a neuromodulação não invasiva através de ultrassom de baixa intensidade pode ter seletividade do tipo celular na manipulação de neurônios.

Doença de Parkinson, epilepsia e insônia são apenas alguns dos distúrbios neurológicos que usam técnicas de tratamento de neuromodulação hoje. A neuromodulação fornece energia física controlada ao sistema nervoso para tratar e melhorar a qualidade de vida dos pacientes. As abordagens atuais de neuromodulação, embora eficazes, trazem tanto desvantagens quanto limitações.

"A estimulação cerebral profunda, que é altamente bem sucedida, mas uma forma invasiva de estimulação elétrica através de eletrodos implantados, é um exemplo de como a neuromodulação está sendo usada em um ambiente clínico hoje", explicou Bin He, professor de engenharia biomédica da Universidade Carnegie Mellon.

"Os profissionais médicos também têm usado estimulação magnética transcraniana não invasiva e estimulação de corrente transcraniana, ambos sem capacidade de se concentrar especificamente no nível do neuro-circuito. Meu grupo está interessado em ajudar a desenvolver uma alternativa mais eficaz e completamente não invasiva."


O ultrassom transcraniano de baixa intensidade, ou tFUS, é uma tecnologia de neuromodulação emergente e totalmente reversível. Não é invasivo, preciso, e não requer cirurgia. Durante a neuromodulação tFUS, a energia mecânica pulsada é transmitida através do crânio, com alta resolução espacial e seletividade, em regiões cerebrais altamente direcionadas, que podem ser direcionadas para provocar ativação ou inibição através da sintonia de parâmetros.

Em trabalho recentemente publicado na Nature Communications,o grupo de Ele demonstrou, pela primeira vez, que tipos de células específicas podem ser alvo através da neuromodulação do TFUS. O estudo descobriu que os neurônios excitatórios apresentaram alta sensibilidade à frequência de repetição do pulso do ultrassom, enquanto os neurônios inibitórios não.

Este achado é significativo, pois demonstra a primeira capacidade de uma técnica de neuromodulação não invasiva para modular uma subpopulação celular selecionada, utilizando uma técnica que pode ser traduzida diretamente para uso humano.

Com a capacidade demonstrada do tFUS de ativar neurônios excitatórios ou inibitórios, aplicações futuras podem levar a um direcionamento preciso de circuitos cerebrais usando energia de ultrassom focada, e ativar ou inibir sub-populações selecionadas de neurônios, afinando parâmetros de ultrassom.

"Como resultado de nossa pesquisa, obtivemos evidências diretas de que diferentes populações de neurônios respondem de forma desigual à estimulação de ultrassom no cérebro", disse Kai Yu, coautor do artigo e cientista de pesquisa no laboratório He's na Universidade Carnegie Mellon.


"Identificamos um parâmetro de estimulação crítica capaz de ajustar o equilíbrio entre atividades neuronais excitatórias e inibitórias, e realizamos experimentos de controle minuciosos para apoiar esses valiosos achados neurológicos."

A aplicação desta pesquisa tem amplas implicações; não se limita apenas a uma doença. Para muitas pessoas que sofrem de dor, depressão e adição, Ele acredita que a neuromodulação não invasiva do TFUS poderia ser usada para facilitar o tratamento.

"Se pudermos localização e direcionar áreas do cérebro usando energia acústica e ultrassonografia, acredito que podemos potencialmente tratar uma miríade de doenças e condições neurológicas e psiquiátricas", disse Ele.

"Esse tipo de opção de tratamento tem grande potencial para mudar o que os médicos estudam na faculdade de medicina e passar a praticar. É claro que uma opção de tratamento invasivo, preciso e reversivo também apresenta infinitos benefícios para os pacientes. Meu sonho seria tornar tudo não invasivo."


O próximo objetivo dele é desenvolver ainda mais a tecnologia de neuromodulação tFUS com maior resolução espacial e focalidade, e testar diretamente a aplicabilidade do tFUS para tratar as condições cerebrais em humanos.

Financiamento: Este trabalho foi apoiado em parte pela Iniciativa NIH BRAIN, Instituto Nacional de Saúde Mental, Instituto Nacional de Imagem Biomédica e Bioengenharia, Instituto Nacional de Distúrbios Neurológicos e AVC e Centro Nacional de Saúde Complementar e Integrativa.

Outros colaboradores do artigo da Nature Communications incluem o co-primeiro autor Xiaodan (Rachel) Niu, estudante de doutorado da BME, e Esther Krook-Magnuson, professora assistente de neurociência na Universidade de Minnesota.

“Intrinsic functional neuron-type selectivity of transcranial focused ultrasound neuromodulation” by Kai Yu, Xiaodan Niu, Esther Krook-Magnuson & Bin He. Nature Communications


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