Открыта новая техника визуализации мозга с помощью прозрачного имплантата черепа

Прочитано: 109 раз(а)


В первом исследовании такого рода исследователи из Медицинской школы Кека Университета Южной Калифорнии и Калифорнийского технологического института (Калифорнийский технологический институт) спроектировали и имплантировали прозрачное окно в череп пациента, а затем использовали функциональную ультразвуковую визуализацию (fUSI) для сбора высоких значений. Данные визуализации мозга с высоким разрешением через окно.

Их предварительные результаты , опубликованные в журнале Science Translational Medicine, предполагают, что этот чувствительный, неинвазивный подход может открыть новые возможности для мониторинга пациентов и клинических исследований, а также более широких исследований того, как функционирует мозг.

«Это первый случай, когда кто-либо применил функциональную ультразвуковую визуализацию посредством замены черепа у бодрствующего, ведущего себя человека, выполняющего задачу», — сказал Чарльз Лю, доктор медицинских наук, профессор клинической неврологической хирургии, урологии и хирургии в Кека и директор Центра нейровосстановления Университета Южной Калифорнии.

«Возможность извлекать этот тип информации неинвазивным путем через окно весьма важна, особенно потому, что у многих пациентов, которым требуется восстановление черепа, есть или будут развиваться неврологические нарушения. Кроме того, «окна» могут быть имплантированы хирургическим путем пациентам с неповрежденным черепом, если функциональная информация может помочь в диагностике и лечении».

Участник исследования, 39-летний Джаред Хагер, получил черепно -мозговую травму (ЧМТ) в результате несчастного случая на скейтборде в 2019 году. Во время экстренной операции половина черепа Хагера была удалена, чтобы уменьшить давление на его мозг, оставив часть его мозга закрытой. только с кожей и соединительной тканью. Из-за пандемии ему пришлось ждать более двух лет, чтобы восстановить череп с помощью протеза.

В это время Хагер вызвался участвовать в более ранних исследованиях , проводимых Лю, Джонатаном Рассином, доктором медицинских наук, заместителем хирургического директора Центра нейровосстановления Университета Южной Калифорнии, и другой командой Калифорнийского технологического института по новому типу визуализации мозга под названием fPACT.

Экспериментальная техника была проведена на мягких тканях, но ее можно было проверить только на мозге таких пациентов, как Хагер, у которых отсутствовала часть черепа. Когда пришло время имплантации протеза, Хагер снова вызвался объединиться с Лю и его коллегами, которые разработали индивидуальный имплантат черепа, чтобы изучить полезность фУЗИ (которое невозможно выполнить через череп или традиционный имплантат) при лечении травмы Хагера.

Перед реконструктивной операцией исследовательская группа протестировала и оптимизировала параметры fUSI для визуализации мозга, используя как фантом (научное устройство, предназначенное для тестирования медицинского оборудования для визуализации), так и модели животных. Затем они собрали данные fUSI от Хагера, пока он выполнял несколько задач, как до операции, так и после установки прозрачного имплантата, и обнаружили, что окно предлагает эффективный способ измерения активности мозга.

Функциональная визуализация мозга, которая собирает данные об активности мозга путем измерения изменений в кровотоке или электрических импульсах, может дать ключевую информацию о том, как работает мозг, как у здоровых людей, так и у людей с неврологическими заболеваниями.

Но современные методы, такие как функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) и внутричерепная электроэнцефалография (ЭЭГ), оставляют многие вопросы без ответа. Проблемы включают низкое разрешение, отсутствие портативности или необходимость инвазивной хирургии головного мозга. fUSI может в конечном итоге предложить чувствительную и точную альтернативу.

«Если мы сможем извлечь функциональную информацию через черепной имплантат пациента, это позволит нам проводить лечение более безопасно и активно», в том числе пациентов с ЧМТ, страдающих эпилепсией, деменцией или психиатрическими проблемами, сказал Лю.

Новый рубеж в визуализации мозга

В качестве основы для настоящего исследования Лю на протяжении многих лет сотрудничал с Михаилом Шапиро, доктором философии. и Ричарду Андерсену, доктору философии из Калифорнийского технологического института, для разработки специализированных ультразвуковых последовательностей, которые могут измерять функции мозга, а также для оптимизации технологии интерфейса мозг-компьютер, которая расшифровывает сигналы мозга для управления внешним устройством.

Установив эти детали, Лю и его коллеги протестировали несколько прозрачных имплантатов черепа на крысах и обнаружили, что тонкое окно из полиметилметакрилата (ПММА), напоминающее плексиглас, дает наиболее четкие результаты визуализации. Затем они сотрудничали с нейротехнологической компанией Longeviti Neuro Solutions, чтобы создать индивидуальный имплантат для Хагера.

Перед операцией исследователи собирали данные fUSI, в то время как Хагер выполнял два действия: решал головоломку «Соедини точки» на мониторе компьютера и играл мелодии на своей гитаре. После установки имплантата они собрали данные по тем же задачам, а затем сравнили результаты, чтобы определить, может ли fUSI предоставить точные и полезные данные визуализации.

«Точность, конечно, снизилась, но, что важно, наши исследования показали, что она все еще достаточно высока, чтобы быть полезной», — сказал Лю. «И в отличие от других платформ интерфейса мозг-компьютер, которые требуют имплантации электродов в мозг, здесь гораздо меньше препятствий для внедрения».

Фузи может обеспечить более высокое разрешение, чем фМРТ, и, в отличие от внутричерепной ЭЭГ, не требует имплантации электродов внутрь мозга. «Это также дешевле, чем эти методы, и может дать пациентам некоторые клинические преимущества по сравнению с непрозрачными черепными имплантатами», — сказал Руссин, который также является доцентом кафедры неврологической хирургии в Медицинской школе Кека и директором отделения цереброваскулярной хирургии в больнице Кека в США. ОСК.

«Одна из больших проблем, когда мы делаем эти операции, заключается в том, что под имплантатом может образоваться сгусток крови, но наличие прозрачного окна дает нам простой способ контролировать это», — сказал он.

Совершенствование функциональной ультразвуковой технологии

В дополнение к лучшему мониторингу пациентов, новый метод может дать представление на уровне населения о ЧМТ и других неврологических состояниях. Это также может позволить ученым собрать данные о здоровом мозге и узнать больше о том, как он контролирует когнитивные, сенсорные, двигательные и вегетативные функции.

«Наши результаты показывают, что с помощью этого метода мы можем извлечь полезную функциональную информацию», — сказал Лю. «Следующий шаг: какая конкретная функциональная информация нам нужна и для чего мы можем ее использовать?»

Пока новые технологии не пройдут клинические испытания, fUSI и прозрачный имплантат будут экспериментальными. Тем временем исследовательская группа работает над улучшением своих протоколов fUSI для дальнейшего повышения разрешения изображений . По словам исследователей, будущие исследования также должны основываться на этом раннем исследовании, подтверждающем концепцию, путем тестирования большего числа участников, чтобы лучше установить связь между данными fUSI и конкретными функциями мозга.

«Джаред — потрясающий парень», — сказал Лю, который продолжает сотрудничать с участником исследования в совершенствовании новых технологий, включая лазерную спектроскопию, которая измеряет кровоток в мозге. «Его вклад действительно помог нам открыть новые горизонты, которые, как мы надеемся, в конечном итоге помогут многим другим пациентам».

Открыта новая техника визуализации мозга с помощью прозрачного имплантата черепа



Новости партнеров