Dose-dependent ultrasound neuromodulation of the human brain

Het menselijk brein is een complex machine, en decennialang hebben wetenschappers gezocht naar een manier om de innerlijke werking ervan voorzichtig te beïnvloeden zonder in de schedel te snijden. Een veelbelovend instrument hiervoor is transcraniële ultrasone stimulatie, waarbij hoogfrequente geluidsgolven worden gebruikt om diepe structuren in het hoofd te bereiken. Hoewel geluidsgolven door de schedel kunnen passeren, is de reis lastig; het bot vervormt de golven, en de exacte hoeveelheid energie die uiteindelijk een specifiek doel bereikt, varieert enorm van persoon tot persoon. Deze onzekerheid heeft het moeilijk gemaakt om te weten hoeveel "dosis" geluid nodig is om de hersenactiviteit te veranderen, wat leidde tot inconsistente resultaten in zowel onderzoek als potentiële medische behandelingen. Om dit op te lossen, hadden onderzoekers een manier nodig om precies te zien wat de geluidsgolven deden in een levend menselijk brein, in plaats van alleen te gokken op basis van computermodellen.

Een team van wetenschappers aan de Stanford University en andere instellingen pakte dit probleem recent aan door ultrasone stimulatie te combineren met magnetische resonantie beeldvorming (MRI) om de fysieke beweging van hersenweefsel te meten die door geluidsgolven wordt veroorzaakt. Ze richtten zich op een kleine, diepe structuur genaamd de laterale geniculate nucleus, een schakelstation voor het zicht dat diep in het brein ligt. Door dit specifieke punt te targeten, konden ze testen of de hoeveelheid fysieke beweging die de geluidsgolven in het weefsel veroorzaakten, voorspelde hoeveel de hersenactiviteit veranderde. In een studie met 24 gezonde volwassenen vonden de onderzoekers een duidelijke link: hoe meer het hersenweefsel bewoog wanneer het door het geluid werd geraakt, hoe sterker de verandering in de hersenactiviteit werd. Deze ontdekking suggereert dat het meten van de werkelijke fysieke duw van de geluidsgolven, in plaats van alleen de krachtinstelling van het apparaat, de sleutel is tot het begrijpen en controleren van hoe ultrasone stimulatie het menselijk brein beïnvloedt.

Het experiment was ontworpen om precies en dubbelblind te zijn, wat betekent dat noch de deelnemers, noch de onderzoekers wisten welk type stimulatie er op elk gegeven moment werd toegediend. De vrijwilligers lagen in een MRI-scanner terwijl een gespecialiseerd apparaat dat dicht bij hun oor werd geplaatst, gefocuste geluidsgolven in hun hersenen stuurde. De onderzoekers richtten zich op het visuele centrum aan één kant van het brein en vergeleken dit met een controlegroep waarbij geluidsgolven naar een ander, niet-visueel deel van het brein werden gestuurd. Terwijl het geluid werd afgespeeld, keken de deelnemers naar flitsende schaakbordpatronen op een scherm om hun visueel systeem actief te houden. De MRI-scanner mat de bloeddoorstroming in de hersenen, wat dient als een surrogaat voor neurale activiteit, waardoor het team precies kon zien waar en hoeveel de hersenen reageerden op het geluid.

Om de relatie tussen het geluid en de reactie van de hersenen te begrijpen, gebruikten de onderzoekers een speciale beeldvormingstechniek genaamd magnetic resonance acoustic radiation force imaging. Deze methode stelde hen in staat om de minuscule, microscopische verschuivingen in het hersenweefsel te visualiseren die door de geluidsgolven worden veroorzaakt. Ze ontdekten dat de hoeveelheid weefselbeweging aanzienlijk varieerde van persoon tot persoon, zelfs wanneer de machine-instellingen identiek waren. Deze variatie was te wijten aan verschillen in de vorm van de schedel en de manier waarop de geluidsgolven door het hoofd reisden. Cruciaal was dat de onderzoekers ontdekten dat deze fysieke beweging de beste voorspeller was van de respons van de hersenen. Wanneer het weefsel meer bewoog, nam de activiteit in het doelgerichte visuele centrum aanzienlijk toe. Dit effect was niet alleen lokaal; het reisde ook langs de natuurlijke bedrading van de hersenen naar de visuele cortex aan de achterkant van de hersenen, wat aantoonde dat de geluidsgolven succesvol een heel netwerk van neuronen activeerden.

De studie testte ook of computersimulaties deze resultaten konden voorspellen. Wetenschappers gebruiken vaak software om te modelleren hoe geluidsgolven door de schedel reizen om de toegediende dosis te schatten. Echter, in dit experiment faalden de computermodellen in het voorspellen van de werkelijke hersenrespons of de hoeveelheid weefselbeweging. De simulaties waren goed in het raden waar het geluid zich zou concentreren, maar ze konden de sterkte van het effect niet nauwkeurig inschatten. Dit onderstreept een belangrijke beperking in de huidige technologie: hoewel we de locatie van het geluid kunnen in kaart brengen, kunnen we de sterkte ervan in een levend menselijk hoofd nog niet betrouwbaar berekenen zonder directe meting. De enige manier om de ware dosis te kennen, was door de weefselbeweging direct in de scanner te meten.

De onderzoekers keken ook of deze verandering in hersenactiviteit vertaalde naar een verandering in hoe mensen de wereld zien. Hoewel de hersenactiviteit duidelijk toenam, vertoonden de deelnemers geen consistente, meetbare verbetering in hun vermogen om subtiele veranderingen in de flitsende patronen te detecteren. De auteurs suggereren dat dit kan komen doordat de taak niet gevoelig genoeg was om de subtiele verschuivingen op te vangen, of omdat het specifieke deel van het visuele systeem dat werd gestimuleerd niet perfect overlapte met het gebied dat de deelnemers werden gevraagd te bekijken. Ondanks het gebrek aan een duidelijke gedragsverandering, is de bevinding dat de fysieke beweging van het weefsel de elektrische respons van de hersenen voorspelt een grote stap voorwaarts. Het biedt een concrete manier om de "dosis" van ultrasone stimulatie in realtime te meten, waardoor het vakgebied beweegt van gissen naar een meer precieze, gepersonaliseerde benadering van hersenstimulatie.

Dit werk stelt vast dat de mechanische duw van geluidsgolven op hersenweefsel een betrouwbare indicator is van de mate waarin de hersenen zullen reageren. Door deze beweging direct te meten, kunnen wetenschappers nu rekening houden met de verschillen in schedelvorm en weefseldichtheid die eerdere studies zo inconsistent hebben gemaakt. De studie bevestigt dat ultrasone stimulatie veilig en specifiek diepe hersenstructuren en hun verbonden netwerken in mensen kan activeren. Hoewel de technologie nog steeds een MRI-scanner vereist om de dosis te meten, opent het principe de deur naar toekomstige behandelingen waarbij het geluid wordt afgestemd op de unieke anatomie van het individu. Dit brengt de wetenschap van hersenstimulatie dichter bij een toekomst waarin artsen exact de hoeveelheid energie kunnen leveren die nodig is om neurologische aandoeningen te behandelen, waardoor wordt gewaarborgd dat de behandeling zowel effectief als veilig is voor elke patiënt.