Спустя столетие после первого в мире устройства для ультразвукового обнаружения, изобретенного в ответ на тонущий поток научно-исследовательского института «Титаник-Вирджиния», ученые предоставили первые нейрофизиологические доказательства того, что исследователи давно подозревали: ультразвук, применяемый на периферии, такой как кончики пальцев , может стимулировать различные сенсорные пути, ведущие к мозгу человека. И это только верхушка айсберга. Это открытие имеет последствия для диагностики и лечения нейропатии, которая затрагивает миллионы людей во всем мире.
«В идеале, неврологи должны иметь возможность адаптировать процедуры к конкретным ощущениям, которые испытывают пациенты», – сказал Уильям «Джейми» Тайлер, доцент исследовательского института Virgin Carilion Research Research, который возглавил исследование, опубликованное на этой неделе в PLoS ONE. «К сожалению, даже с сегодняшними технологиями трудно стимулировать определенные типы ощущений, не вызывая других. Импульсное ультразвуковое исследование позволяет нам избирательно активировать функциональные подмножества нервных волокон, чтобы мы могли изучить, что происходит, когда вы стимулируете, например, только периферические волокна и пути центральной нервной системы, которые передают ощущение быстрой, острой боли или только те, которые передают ощущение медленной, тупой, пульсирующей боли ».
По оценкам, только 20 миллионов человек в Соединенных Штатах страдают от невропатии, совокупности расстройств нервной системы, которые могут вызывать боль, онемение и ощущение жжения, зуда и покалывания. Одной из наиболее распространенных причин невропатии является диабет 2 типа. Аутоиммунные расстройства, такие как волчанка и синдром Гийена-Барре; травматическая травма нерва; генетические аномалии; нарушения движения; и инфекционные заболевания, такие как ВИЧ / СПИД, болезнь Лайма и проказы, могут также вызвать невропатию. Кроме того, около 30-40% больных раком, проходящих химиотерапию, развивают невропатию.
«Нейропатия включает в себя как двигательные нервы, которые контролируют движение мышц, так и сенсорные нервы, которые получают ощущения, такие как тепло, боль и прикосновение», – сказал Тайлер. «Поэтому клиницисты могут использовать, например, небольшие резонаторные устройства для вибрации кожи или лазеров для нагрева поверхности кожи. Но мы хотели разработать метод, который мог бы активировать поверхностные и глубокие механические рецепторы, тепловые рецепторы и даже комбинации обоих. Поэтому мы использовали импульсное ультразвуковое исследование ».
В 1970-х годах группа советских ученых делала наблюдения, что ультразвук может стимулировать различные нейронные пути, но их доказательства были лишь эпизодическими, а субъекты просто описывали ощущения тепла, боли или вибрации. В текущем исследовании исследователи использовали функциональную магнитно-резонансную томографию (fMRI) и электроэнцефалографию (ЭЭГ), чтобы обеспечить физиологическое доказательство этих ранних наблюдений. Участники исследования положили свои указательные пальцы на ультразвуковые преобразователи, а их мозговую активность контролировали с помощью МРТ и ЭЭГ. Ученые обнаружили, что они могут стимулировать специфические соматосенсорные пути, просто настраивая ультразвуковые волны.
Тайлер полагает, что обнаружение имеет важные последствия для диагностики боли. «Современные методы диагностики и характеристики боли иногда могут казаться архаичными», – сказал Тайлер. «Чтобы измерить боль посредством механической стимуляции, например, врачи могут коснуться кожи с помощью нейлоновых мононитей, известных как волосы фон Фрея, или они будут гладить кожу кистью. Для теплового сенсорного тестирования пациенты могут даже погружать руки в ледяную воду, пока боль не станет слишком большой. Мы надеемся предоставить врачам более точные диагностические инструменты ».
Лучшая диагностика приведет к лучшей терапии, сказал нейробиолог Майкл Фридландер, исполнительный директор исследовательского института Virgin Carilion.
«Объединив импульсное ультразвуковое исследование с технологиями регистрации активности мозга, Джейми Тайлер и его коллеги переносят это на совершенно новый уровень диагностики», – сказал Фридландер. «И диагностика в конечном итоге приведет к терапии. Это исследование является отличным примером того, как новые технологии могут быть адаптированы для реальных диагнозов и лечения, ориентированных на пациента ».
Тайлер отметил, что открытие может привести к другим приложениям. «Ультразвуковые преобразователи могут быть созданы в гибкие плоские стельки, чтобы обеспечить сенсорную стимуляцию людям, потерявшим ощущение в ногах, в том числе пожилым людям, которые подвергаются такому риску падения», – сказал он. «Хирургические инструменты могут обеспечить тактильную обратную связь с хирургами в процессе обучения. И я могу представить себе бесчисленные приложения для бытовой электроники. Пользователи уже полагаются на двухстороннюю соматосенсорную связь с их устройствами, а периферическая стимуляция с помощью ультразвука может добавить к этому сообщению новые измерения ».
Теперь Тайлер сосредоточит исследования своей команды на определении параметров ультразвука, которые стимулируют типы нервных волокон или рецепторов. Он также надеется изучить людей с диабетом типа 2, у которых еще нет развитой нейропатии, с конечной целью предоставления подсказок для лечения или даже предотвращения боли, связанной с состоянием.
Это исследование может получить толчок от открытия, которое удивило Тайлера во время исследования PLoS ONE.
«Одна вещь, которую мы не ожидали, – это то, что некоторые сканы мозга показали активацию болевых путей, но волонтеры сообщили, что не чувствуют дискомфорта», – сказал Тайлер. «Это интригующий вывод. Хотя мы еще не знаем его полных последствий, способность активировать классические пути боли, не вызывая перцептивную боль, может помочь нам понять, как мозг испытывает боль ».
Команда ученых из исследовательского института Virgin Carilion Research, в том числе Винн Легон, Эбби Роулендс, Александр Опиц и Томокадзу Сато, присоединилась к Тайлеру в проведении исследования. В дополнение к своей должности в институте Тайлер является доцентом биомедицинской инженерии и науки в Виргинской школе технического университета Вуд-Айленд в области биомедицинской инженерии и наук. Недавно он поделился McKnight Technology Innovations in Neuroscience Award за работу по использованию ультразвука для разработки неинвазивных подходов к модуляции активности избранных схем в головном мозге.
«Люди обычно ассоциируют ультразвук с медицинской диагностикой, – сказал Тайлер. «Но на протяжении столетия ультразвук использовался для всего, от обнаружения кораблекрушений до оценки мостовых трещин, чтобы держать подростков в собрании в торговых центрах. Мы пытаемся использовать невероятно разнообразные свойства ультразвука – его скорости и длины волны, ее акустическую интенсивность, ее частоты – помочь людям, борющимся с множеством часто болезненных заболеваний ».