Digital-twin optimized transcranial temporal interference electrical stimulation alters rat brain activity patterns and metabolism including deep structures

Diep in de hersenen, verborgen onder lagen bot en weefsel, liggen kleine clusters van cellen die alles aansturen, van beweging tot stemming. Wanneer deze diepe structuren defect raken, kunnen ze ernstige stoornissen veroorzaken zoals de ziekte van Parkinson of essentiële tremor. Decennialang was de enige manier om ze te repareren het boren in de schedel en het invoeren van een metalen draad, een procedure die bekend staat als diepe hersenstimulatie. Hoewel effectief, brengt deze chirurgie aanzienlijke risico's met zich mee. Wetenschappers zoeken al lang naar een manier om deze diepe doelen te bereiken zonder in het hoofd te snijden, door gebruik te maken van elektriciteit die ongevaarlijk door de huid gaat. De uitdaging is dat elektrische stromen van nature uitwaaieren en aan kracht verliezen terwijl ze reizen, wat het moeilijk maakt om energie te concentreren op een piepklein, diep punt zonder ook de hersenoppervlakte direct daarboven te laten schokken. Een techniek genaamd temporele interferentie-stimulatie biedt een potentiële oplossing. Het gebruikt twee hoogfrequente elektrische stromen die vanuit verschillende hoeken door het hoofd passeren. Afzonderlijk zijn deze stromen te snel voor hersencellen om op te merken, maar waar ze diep in het hoofd elkaar kruisen, creëren ze een trage, ritmische puls die de hersenen kunnen voelen. Dit stelt onderzoekers in staat om diepe gebieden te targeten terwijl het oppervlak relatief ongemoeid wordt gelaten.

Een team van onderzoekers in Duitsland testte onlangs of deze methode werkt in levende dieren, specifiek ratten, en of ze computermodellen konden gebruiken om de stimulatie nauwkeuriger te maken. Ze begonnen met het bouwen van een gedetailleerde digitale kopie, of "digitale tweeling", van een rattenkop. Dit computermodel was niet slechts een simpele vorm; het was een complexe kaart die rekening hield met de verschillende manieren waarop huid, bot en hersenweefsel elektriciteit geleiden. Met behulp van dit model voerden de wetenschappers duizenden simulaties uit om de perfecte plaatsing van vier kleine elektroden op de ratzenschedel te vinden. Hun doel was om de elektrische puls specifiek op de thalamus te richten, een diep hersengebied dat betrokken is bij motorische controle, terwijl ze onnodige stimulatie van andere gebieden vermeden. De computerberekeningen suggereerden dat het plaatsen van de elektroden in twee specifieke paren het sterkste interferentiepatroon zou creëren, precies waar zij het wilden hebben.

Met het plan bevestigd door de computer, gingen de onderzoekers naar het laboratorium. Ze plaatsten de elektroden zorgvuldig op de schedels van onder narcose gebrachte ratten en brachten de elektrische stromen toe. Om te zien wat er binnen in de hersenen gebeurde, gebruikten ze een krachtige magnetische resonantie-imaging scanner, een machine die afbeeldingen van hersenactiviteit in realtime kan maken. De resultaten waren opmerkelijk. Wanneer de elektrische stimulatie werd aangezet, lichtten de hersenen op in de scanner. De diepe thalamus, het exacte doel dat de computer had voorspeld, vertoonde een sterke reactie. Maar het effect stopte daar niet. Het signaal reisde ook naar andere diepe structuren, waaronder de hippocampus, die essentieel is voor het geheugen, en de amygdala, die emoties verwerkt. Zelf_s delen van de hersenen die ver van de elektroden lagen, zoals de visuele cortex en gebieden betrokken bij besluitvorming, vertoonden tekenen van activiteit. Dit bevestigde dat de elektrische puls niet alleen het doel in isolatie raakte, maar ook hele netwerken van hersencircuits activeerde, zowel direct als via de verbindingen die verschillende hersengebieden met elkaar verbinden.

De onderzoekers keken ook naar hoe de hersenen hun interne chemie veranderden tijdens dit proces. Met behulp van een gespecialiseerde techniek die de niveaus van chemische boodschappers meet, vonden ze een trend die suggereert dat de balans tussen exciterende en inhiberende signalen in de thalamus verschoof. Specifiek leek er een toename te zijn van glutamaat, een chemische stof die hersencellen stimuleert om te vuren, ten opzichte van GABA, een chemische stof die ze kalmeert. Deze verschuiving suggereert dat de stimulatie succesvol de metabole staat van de hersenen heeft veranderd. Echter, toen ze controleerden hoe de verbindingen in de hersenen veranderden nadat de stimulatie stopte, waren de effecten verrassend kortstondig. De rustpatronen van de hersenen keerden relatief snel terug naar normaal, wat aangeeft dat een enkele sessie van stimulatie een tijdelijke verschuiving creëert in plaats van een permanente herbedrading van het netwerk.

Om er zeker van te zijn dat de signalen die ze zagen echt werden veroorzaakt door de hersenen die op de elektriciteit reageerden en niet alleen door de elektrische velden die interfereerden met de scanner zelf, voerden het team verschillende controletests uit. Ze scanten een citroen en een augurk met dezelfde apparatuur en instellingen, en vonden geen signaalveranderingen, wat bewees dat de hersenactiviteit een biologische respons was. Ze testten ook een groep ratten met een zeer zwakke, ineffectieve stroom, en die dieren vertoonden helemaal geen hersenactiviteit. De studie concludeert dat deze niet-invasieve methode een haalbare manier is om diepe hersenstructuren bij knaagdieren te stimuleren. Door een computermodel te combineren om de perfecte opstelling te ontwerpen met real-world testen, hebben de onderzoekers een workflow gecreëerd die uiteindelijk zou kunnen leiden tot gepersonaliseerde, niet-chirurgische behandelingen voor mensen. Hoewel de effecten in deze enkele sessie tijdelijk waren, opent het vermogen om diepe hersengebieden veilig en precies te targeten zonder chirurgie een nieuwe deur naar het begrijpen en behandelen van neurologische aandoeningen.