Dose-dependent ultrasound neuromodulation of the human brain

Il cervello umano è una macchina complessa e, per decenni, gli scienziati hanno cercato un modo per stimolare delicatamente il suo funzionamento interno senza incidere il cranio. Uno strumento promettente per questo è la stimolazione ultrasonica transcranica, che utilizza onde sonore ad alta frequenza per raggiungere le strutture profonde all'interno della testa. Sebbene le onde sonore possano attraversare il cranio, il viaggio è complicato: l'osso distorce le onde e l'esatta quantità di energia che raggiunge infine un bersaglio specifico varia enormemente da persona a persona. Questa incertezza ha reso difficile sapere quale "dose" di suono sia necessaria per modificare l'attività cerebrale, portando a risultati incoerenti sia nella ricerca che nei potenziali trattamenti medici. Per risolvere questo problema, i ricercatori avevano bisogno di un modo per vedere esattamente cosa stessero facendo le onde sonore all'interno di un cervello umano vivente, invece di limitarsi a indovinare basandosi su modelli informatici.

Un team di scienziati dell'Università di Stanford e di altre istituzioni ha affrontato recentemente questo problema combinando gli ultrasuoni con la risonanza magnetica per misurare il movimento fisico del tessuto cerebrale causato dalle onde sonore. Si sono concentrati su una struttura minuscola e profonda, il nucleo genicolato laterale, una stazione di rilancio per la visione situata in profondità nel cervello. Mirando a questo punto specifico, potevano testare se la quantità di movimento fisico causato dalle onde sonore nel tessuto predicesse quanto cambiasse l'attività cerebrale. In uno studio che ha coinvolto 24 adulti sani, i ricercatori hanno trovato un legame chiaro: più il tessuto cerebrale si muoveva quando colpito dal suono, più forte diventava il cambiamento dell'attività cerebrale. Questa scoperta suggerisce che misurare l'effettiva spinta fisica delle onde sonore, piuttosto che la semplice impostazione di potenza della macchina, sia la chiave per comprendere e controllare come l'ultrasuono influenzi il cervello umano.

L'esperimento è stato progettato per essere preciso e in doppio cieco, il che significa che né i partecipanti né i ricercatori sapevano quale tipo di stimolazione venisse somministrata in un dato momento. I volontari giacevano all'interno di uno scanner MRI mentre un dispositivo specializzato, posizionato vicino al loro orecchio, inviava onde sonore focalizzate nei loro cervelli. I ricercatori hanno mirato al centro della visione su un lato del cervello e lo hanno confrontato con una condizione di controllo in cui le onde sonore venivano inviate a una parte del cervello diversa, non legata alla visione. Mentre il suono era in riproduzione, i partecipanti guardavano schemi a scacchiera lampeggianti su uno schermo per mantenere attivo il sistema visivo. Lo scanner MRI misurava il flusso sanguigno nel cervello, che funge da indicatore dell'attività neurale, permettendo al team di vedere esattamente dove e quanto il cervello rispondeva al suono.

Per comprendere la relazione tra il suono e la reazione del cervello, il team ha utilizzato una speciale tecnica di imaging chiamata imaging della forza di radiazione acustica a risonanza magnetica. Questo metodo ha permesso loro di visualizzare i piccoli spostamenti microscopici del tessuto cerebrale causati dalle onde sonore. Hanno scoperto che la quantità di movimento del tessuto variava significativamente da persona a persona, anche quando le impostazioni della macchina erano identiche. Questa variazione era dovuta alle differenze nella forma del cranio e a come le onde sonore viaggiavano attraverso la testa. Fondamentalmente, i ricercatori hanno scoperto che questo movimento fisico era il miglior predittore della risposta cerebrale. Quando il tessuto si muoveva di più, l'attività cerebrale nel centro della visione bersagliato aumentava significativamente. Questo effetto non era solo locale; si propagava lungo le naturali connessioni del cervello fino alla corteccia visiva nella parte posteriore del cervello, dimostrando che le onde sonore avevano attivato con successo un'intera rete di neuroni.

Lo studio ha anche testato se le simulazioni al computer potessero predire questi risultati. Gli scienziati usano spesso software per modellare come le onde sonore attraversano il cranio per stimare la dose somministrata al cervello. Tuttavia, in questo esperimento, i modelli informatici non sono riusciti a predire la reale risposta cerebrale o la quantità di movimento del tessuto. Le simulazioni erano brave a indovinare dove il suono si sarebbe focalizzato, ma non potevano stimare accuratamente quanto sarebbe stato forte l'effetto. Ciò evidenzia un limite fondamentale della tecnologia attuale: sebbene possiamo mappare la posizione del suono, non siamo ancora in grado di calcolare in modo affidabile la sua intensità all'interno di una testa umana vivente senza una misurazione diretta. L'unico modo per conoscere la vera dose era misurare direttamente il movimento del tessuto all'interno dello scanner.

I ricercatori hanno anche esaminato se questo cambiamento nell'attività cerebrale si traducesse in un cambiamento nel modo in cui le persone vedono il mondo. Sebbene l'attività cerebrale sia chiaramente aumentata, i partecipanti non hanno mostrato un miglioramento costante e misurabile nella loro capacità di rilevare sottili cambiamenti nei pattern lampeggianti. Gli autori suggeriscono che ciò potrebbe essere dovuto al fatto che il compito non era abbastanza sensibile da cogliere i cambiamenti sottili, o perché la parte specifica del sistema visivo che è stata stimolata non coincideva perfettamente con l'area che i partecipanti dovevano osservare. Nonostante la mancanza di un chiaro cambiamento comportamentale, la scoperta che il movimento fisico del tessuto predice la risposta elettrica del cervello è un passo avanti fondamentale. Fornisce un modo concreto per misurare la "dose" di ultrasuoni in tempo reale, allontanando il campo dalla supposizione e verso un approccio più preciso e personalizzato.

Questo lavoro stabilisce che la spinta meccanica delle onde sonore sul tessuto cerebrale è un indicatore affidabile di quanto il cervello risponderà. Misurando direttamente questo movimento, gli scienziati possono ora tenere conto delle differenze nella forma del cranio e nella densità dei tessuti che hanno reso così incoerenti gli studi precedenti. Lo studio conferma che l'ultrasuono può attivare in modo sicuro e specifico le strutture cerebrali profonde e le loro reti connesse negli esseri umani. Sebbene la tecnologia richieda ancora uno scanner MRI per misurare la dose, il principio apre la porta a futuri trattamenti in cui l'ultrasuono è adattato all'anatomia unica dell'individuo. Questo sposta la scienza della stimolazione cerebrale verso un futuro in cui i medici possono somministrare l'esatta quantità di energia necessaria per trattare le condizioni neurologiche, garantendo che il trattamento sia efficace e sicuro per ogni paziente.