Адаптивность человеческого мозга к внутренним и внешним изменениям, известная как нейронная пластичность, формирует основу для понимания когнитивных функций, таких как память и обучение, а также различных неврологических расстройств.
Новое исследование, проведенное группой под руководством доктора Пак Джу Мина из Центра познания и социальности Института фундаментальных наук (IBS), раскрывает новую технику, которая может изменить ландшафт лечения заболеваний головного мозга. Работа опубликована в журнале Science Advances.
Команда разработала неинвазивный метод стимуляции мозга под названием «Узорчатый низкоинтенсивный низкочастотный ультразвук» (LILFUS), который обладает огромным потенциалом для индукции долгосрочных изменений в функции мозга.
Традиционно для модуляции функций мозга использовались методы магнитной и электрической стимуляции мозга. Однако эти методы имеют присущие им ограничения, которые ограничивают их пространственное разрешение и глубину проникновения, что затрудняет точную стимуляцию определенных областей мозга с оптимальной эффективностью.
Более инвазивные методы, например те, которые требуют хирургических процедур, демонстрируют превосходный контроль и терапевтический эффект при специфической глубокой стимуляции мозга, но они сопряжены с такими рисками, как повреждение тканей, воспаление и инфекция. Эти ограничения стимулировали поиск альтернативных подходов, которые могут преодолеть эти ограничения и обеспечить более эффективную и точную модуляцию функций мозга.
В последнем исследовании, опубликованном IBS, исследователи использовали ультразвук для точной стимуляции определенных областей мозга. В отличие от электромагнитных волн , ультразвук имеет то преимущество, что способен проникать глубоко в ткани мозга.
Исследователи обнаружили, что ультразвуковая стимуляция может модулировать нейронную пластичность — способность мозга перестраиваться — посредством активации ключевых молекулярных путей. В частности, исследование выявило влияние ультразвука на механочувствительные кальциевые каналы в астроцитах, которые контролируют способность клеток поглощать кальций и высвобождать нейротрансмиттеры.
LILFUS был разработан на основе определенных параметров ультразвука, которые имитируют паттерны тета-(5 Гц) и гамма-колебаний (30 Гц) мозга, наблюдаемые во время процессов обучения и памяти. Новый инструмент позволил исследователям по своему желанию активировать или деактивировать определенные области мозга: было обнаружено, что прерывистая подача ультразвука вызывает долгосрочный эффект потенцирования, в то время как непрерывные режимы приводят к долгосрочным эффектам депрессии.
Одним из наиболее многообещающих аспектов этой новой технологии является ее способность облегчать приобретение новых двигательных навыков. Когда исследователи провели ультразвуковую стимуляцию моторной коры головного мозга мышей, они заметили значительные улучшения в обучении двигательным навыкам и способности извлекать пищу.
Интересно, что исследователям даже удалось изменить предпочтения передних конечностей мышей. Это предполагает потенциальное применение в реабилитационной терапии для людей, переживших инсульт, и людей с двигательными нарушениями.
Значение этого исследования выходит далеко за рамки двигательной функции. Его можно использовать для лечения таких состояний, как депрессия, при которой характерными особенностями являются измененная возбудимость и пластичность мозга. При дальнейшем исследовании LILFUS может быть адаптирован для различных протоколов стимуляции мозга , что дает надежду на различные состояния, начиная от сенсорных нарушений и заканчивая когнитивными расстройствами.
Доктор Пак сказал: «Это исследование не только позволило разработать новую и безопасную технологию нейронной регуляции с долгосрочным эффектом, но также выявило изменения молекулярного механизма, участвующие в ультразвуковой регуляции нейронов, основанной на мозговых волнах».
Он добавил: «Мы планируем продолжить последующие исследования по применению этой технологии для лечения заболеваний головного мозга, связанных с аномальным возбуждением и торможением мозга, а также для улучшения когнитивных функций».
