Transcranial ultrasound neuromodulation of a human white matter tract
Diese Studie zeigt, dass die transkranielle Ultras stimulierung, die auf den menschlichen kortikospinalen Trakt abzielt, die Neurophysiologie der weißen Substanz kausal moduliert und somit eine nicht-invasive Methode etabliert, um spezifische Bahnen der weißen Substanz mit Effekten zu beeinflussen, die sowohl vom Ultraschalldruck als auch von der Mikrostruktur des Gewebes abhängen.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung eines Preprints, das nicht peer-reviewed wurde. Dies ist kein medizinischer Rat. Treffen Sie keine Gesundheitsentscheidungen auf Grundlage dieses Inhalts. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Stellen Sie sich vor, Ihr Gehirn wäre eine geschäftige Stadt. Lange Zeit wussten Wissenschaftler bereits, dass die „graue Substanz“ – die Stadtviertel, in denen das Denken und Fühlen der Stadt stattfindet – voller Aktivität ist. Sie wussten auch von der „weißen Substanz“, die wie das riesige Netz aus Glasfaserkabeln und Autobahnen der Stadt fungiert und Nachrichten zwischen den Stadtvierteln überträgt. Wir verfügen zwar über Werkzeuge, um an die Türen der grauen Substanz-Viertel zu klopfen (wie etwa eine Glocke zu läuten, um zu sehen, wer antwortet), aber wir hatten Schwierigkeiten, ein Signal direkt in die tief liegenden, verborgenen Autobahnen zu senden, ohne invasive Operationen durchzuführen. Es ist, als versuche man, einen spezifischen Stau auf einer Autobahn zu beheben, die meilenweit unter der Erde verläuft, während uns nur Werkzeuge zur Verfügung stehen, die nur auf den Oberflächenstraßen funktionieren.
Die große Frage war bisher: Können wir ein nicht-invasives Signal tief in diese weißen Substanz-Autobahnen senden, um den Verkehrsfluss zu verändern? Wenn uns das gelänge, wäre dies ein Wendepunkt für unser Verständnis der Funktionsweise unseres Gehirns und potenziell für die Behandlung von Zuständen, bei denen diese „Kabel“ beschädigt sind. Das Werkzeug, das die Wissenschaftler für diesen Job testen, heißt Transkranielle Ultraschallstimulation (TUS). Stellen Sie sich dies wie einen superpräzisen, unsichtbaren Scheinwerfer aus Schallwellen vor. Im Gegensatz zu einer Taschenlampe, die nur auf die Oberfläche leuchtet, kann dieser Schall-Scheinwerfer tief im Inneren des Schädels auf winzige, spezifische Ziele fokussiert werden, ohne dass etwas aufgeschnitten werden muss. Die Idee ist, dass diese Schallwellen die Nervenfasern in der weißen Substanz sanft anstoßen könnten, was die Art und Weise verändert, wie sie Signale senden – ganz ähnlich wie eine sanfte Brise die Richtung eines Vogelschwarms verändern kann.
In dieser Studie entschied sich ein Forscherteam dazu, zu testen, ob dieser Schall-Scheinwerfer tatsächlich die Aufgabe erfüllen kann, nämlich eine große Autobahn des Gehirns zu treffen: den Kortikospinaltrakt. Dies ist die Superautobahn, die Befehle von Ihrem Gehirn zu Ihren Muskeln trägt und Ihnen sagt, wie Sie mit der Hand eine Tasse greifen oder mit dem Bein einen Ball kicken. Die Forscher wollten sehen, ob sie Ultraschall nutzen können, um gezielt diese spezifische Autobahn anzusprechen und die Leichtigkeit, mit der sie Signale sendet, zu verändern, ohne dabei versehentlich die angrenzenden Oberflächen-Viertel (die graue Substanz) zu treffen.
Die Forscher gestalteten ein kluges Experiment mit 15 gesunden Freiwilligen. Sie verwendeten ein „Within-Subject“-Design, was bedeutet, dass jede Person ihre eigene Kontrolle war. Stellen Sie sich vor, eine Person kommt zu drei verschiedenen Besuchen. Bei einem Besuch richteten die Forscher den Schall-Scheinwerfer auf die linke Seite der weißen Substanz-Autobahn (den Kortikospinaltrakt). In einem anderen richteten sie ihn auf das graue Substanz-Viertel direkt darüber (den motorischen Kortex). Im dritten richteten sie ihn auf dieselbe Autobahn auf der anderen Seite des Gehirns. Um zu messen, was passierte, verwendeten sie eine Technik namens TMS (Transkranielle Magnetstimulation), die wie eine „Check-Engine-Leuchte“ für das Gehirn funktioniert. Sie sandten einen magnetischen Impuls an das Handareal des Gehirns und maßen, wie stark das elektrische Signal in der Handmuskulatur war.
Die Ergebnisse waren aufregend und spezifisch. Als die Forscher den Ultraschall auf die weiße Substanz-Autobahn auf der linken Seite richteten, stellten sie fest, dass der „Verkehr“ auf dieser Autobahn viel energiegeladener wurde. Konkret wurden die Signale, die vom Gehirn zur Hand reisten, etwa 50 Minuten nach der Schallbehandlung stärker und erleichternd (facilitative). Entscheidend war, dass dies nicht geschah, wenn sie den Ulala auf das graue Substanz-Viertel darüber richteten, und es geschah auch nicht, wenn sie den Scheinwerfer auf die Autobahn auf der gegenüberliegenden Seite des Gehirns richteten. Dies deutet darauf hin, dass der Effekt nicht bloß ein allgemeines „Aufwachen“ des Gehirns war, sondern eine spezifische Veränderung, die durch das Treffen dieses speziellen weißen Substanz-Pfades verursacht wurde.
Die Studie untersuchte auch, warum dies geschah. Sie fanden heraus, dass die Stärke des Effekts von zwei Dingen abhing: wie hart der Schall auf das Ziel traf und wie „organisiert“ die Autobahn war. Wenn die Fasern der weißen Substanz sehr ordentlich nebeneinander gepackt waren (gemessen durch etwas namens fraktionale Anisotropie), hatte die Schallwelle eine größere Wirkung. Es ist, als ob die Schallwellen am besten auf einer gut asphaltierten, geraden Autobahn funktionieren als auf einer holprigen, chaotischen Straße.
Die Forscher sind vorsichtig bei der Aussage, dass sie noch nicht alle Rätsel gelöst haben. Sie wissen nicht genau, wie die Schallwellen die Autobahn verändert haben – haben sie die Drähte selbst empfindlicher gemacht oder haben sie die Art und Weise verändert, wie das Signal am Ende der Leitung verarbeitet wird? Sie merken auch an, dass, obwohl der Schall auf die Autobahn fokussiert war, ein kleiner Teil unvermeidlich in die benachbarte graue Substanz „überlappte“, wes-halb sie nicht zu 100 % sicher sein können, dass die Autobahn das einzige war, was beeinflusst wurde, obwohl das Muster der Ergebnisse stark darauf hindeutet.
Letztendlich liefert diese Arbeit starke Beweise dafür, dass wir Schallwellen nutzen können, um die tief liegenden Autobahnen der weißen Substanz des menschlichen Gehirns sanft zu beeinflussen. Sie zeigt, dass wir mit der richtigen Zielsetzung die Arbeitsweise dieser Pfade verändern können, ohne eine Operation durchzuführen. Dies öffnet die Tür, den Ultraschall als präzises Werkzeug zu nutzen, um zu testen, wie die Verdrahtung unseres Gehirns unser Verhalten beeinflusst, und vielleicht eines Tages dabei zu helfen, jene Autobahnen zu reparieren, wenn sie durch Verletzungen oder Krankheiten beschädigt wurden. Es ist ein Schritt in Richtung der Fähigkeit, die „unsichtbaren“ tiefen Gehirnzirkuiten in etwas zu verwandeln, das wir tatsächlich abstimmen und anpassen können.
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