În primul studiu de acest gen, cercetătorii americani au proiectat şi implantat o fereastră transparentă în craniul unui pacient, apoi au folosit imagistica funcţională cu ultrasunete (fUSI) pentru a colecta imagini de înaltă rezoluţie.
Rezultatele preliminare ale unui studiu de pionierat, realizat de facultatea de medicină Keck (USC) şi Institutul de Technologie (Caltech), din California, publicate miercuri în revista Science Translational Medicine, sugerează că această abordare sensibilă şi neinvazivă ar putea deschide noi căi pentru monitorizarea pacienţilor şi cercetarea clinică, precum şi studii mai ample privind modul în care funcţionează creierul.
„Este pentru prima dată când cineva a aplicat imagistica funcţională cu ultrasunete prin înlocuirea craniului la un om treaz, care se comportă şi care execută o sarcină”, a declarat dr. Charles Liu, profesor de chirurgie neurologică clinică şi urologie la Keck şi director al Centrului de Neurorestaurare USC.
„Capacitatea de a extrage acest tip de informaţii în mod neinvaziv printr-o fereastră este destul de semnificativă, mai ales că mulţi dintre pacienţii care au nevoie de repararea craniului prezintă sau vor dezvolta dizabilităţi neurologice. În plus, „ferestrele” pot fi implantate chirurgical la pacienţii cu craniul intact dacă informaţiile funcţionale pot ajuta la diagnosticare şi tratament”, notează autorii într-un comunicat.
Participantul din studiu, un tânăr în vârstă de 39 de ani, a suferit un traumatism cranio-cerebral (TCC) în urma unui accident de skateboarding în 2019.
În timpul unei intervenţii chirurgicale de urgenţă, jumătate din craniul tânărului a fost îndepărtată pentru a reduce presiunea asupra creierului, lăsând o parte din creierul său acoperit doar cu piele şi ţesut conjunctiv. Din cauza pandemiei, el a trebuit să aştepte mai mult de doi ani pentru a i se reface craniul cu o proteză.
În acest timp, tânărul s-a oferit voluntar pentru cercetări efectuate anterior de echipa de la Centrul de Neurorestaurare USC, şi de o altă echipă Caltech cu privire la un nou tip de imagistică a creierului numit fPACT.
Tehnica experimentală fusese realizată pe ţesuturi moi, dar nu a putut fi testată pe creier decât în cazul pacienţilor cărora le lipsea o parte din craniu.
Când a venit momentul implantării protezei, tânărul s-a oferit din nou voluntar să facă parte din echipa care a proiectat un implant cranian personalizat pentru a studia utilitatea fUSI - care nu poate fi realizată prin craniu sau printr-un implant tradiţional.
Înainte de intervenţia chirurgicală de reconstrucţie, echipa de cercetare a testat şi a optimizat parametrii fUSI pentru imagistica cerebrală, folosind atât o fantomă (un dispozitiv ştiinţific conceput pentru a testa echipamentele de imagistică medicală), cât şi modele animale.
Apoi au colectat date fUSI de la tânăr în timp ce acesta îndeplinea mai multe sarcini, atât înainte de operaţie, cât şi după ce a fost instalat implantul transparent, constatând că fereastra a oferit o modalitate eficientă de măsurare a activităţii cerebrale.
Imagistica funcţională a creierului, care colectează date despre activitatea cerebrală prin măsurarea modificărilor fluxului sanguin sau a impulsurilor electrice, poate oferi informaţii cheie despre modul în care funcţionează creierul, atât la persoanele sănătoase, cât şi la cele cu afecţiuni neurologice.
Însă metodele actuale, cum ar fi imagistica prin rezonanţă magnetică funcţională (fRMN) şi electroencefalografia intracraniană (EEG), lasă multe întrebări fără răspuns.
Printre provocări se numără rezoluţia scăzută, lipsa portabilităţii sau necesitatea unei intervenţii chirurgicale invazive pe creier. fUSI ar putea oferi, în cele din urmă, o alternativă sensibilă şi precisă.
„Dacă putem extrage informaţii funcţionale prin intermediul implantului cranian, acest lucru ne-ar putea permite să oferim un tratament mai sigur şi mai proactiv”, inclusiv pacienţilor cu TCC care suferă de epilepsie, demenţă sau probleme psihiatrice, a declarat Liu.
O nouă frontieră pentru imagistica cerebrală
Ca bază pentru acest studiu echipa a dezvoltat secvenţe specializate de ultrasunete care pot măsura funcţia creierului, şi a optimizat tehnologia de interfaţă creier-computer, care transcrie semnale din creier pentru a opera un dispozitiv extern.
Echipată cu acest arsenal, echipa a testat mai multe implanturi craniene transparente pe şobolani, descoperind că o fereastră subţire realizată din polimetilmetacrilat (PMMA) - care seamănă cu plexiglasul - a dat cele mai clare rezultate imagistice. Apoi au colaborat cu o companie de neurotehnologie, Longeviti Neuro Solutions, pentru a construi un implant personalizat pentru cazul tânărului.
Înainte de intervenţia chirurgicală, cercetătorii au colectat date fUSI în timp ce tânărul desfăşura două activităţi: rezolvarea unui puzzle de tip „conectează punctele” pe un monitor de calculator şi interpretarea unor melodii la chitară.
După ce implantul a fost instalat, echipa a colectat date cu privire la aceleaşi sarcini, apoi au comparat rezultatele pentru a determina dacă fUSI ar putea furniza date imagistice precise şi utile.
„Fidelitatea a scăzut, desigur, dar, cel mai important, cercetarea noastră a arătat că este încă suficient de ridicată pentru a fi utilă”, a declarat Liu.
„Şi, spre deosebire de alte platforme de interfaţă creier-computer, care necesită implantarea de electrozi în creier, aceasta are mult mai puţine bariere în privinţa implementării”.
Tehnica fUSI poate oferi o rezoluţie mai fină decât fRMN şi, spre deosebire de EEG intracranian, nu necesită implantarea de electrozi în interiorul creierului.
De asemenea, este mai puţin costisitoare decât aceste metode şi ar putea oferi unele avantaje clinice pentru pacienţi faţă de implanturile craniene netransparente, spune echipa de la Keck.
„Una dintre marile probleme atunci când facem aceste operaţii este că se poate forma un cheag de sânge sub implant, dar având o fereastră transparentă ne oferă o modalitate uşoară de a monitoriza acest lucru”, precizat la rândul său, dr. Jonathan Russin, director chirurgical al Centrul de Neurorestaurare USC, care este, de asemenea, profesor asociat de chirurgie neurologică la facultatea de medicină Keck şi director al departamentului de chirurgie cerebrovasculară la Spitalul Keck din cadrul USC.
Perfecţionarea tehnologiei funcţionale cu ultrasunete
Pe lângă o mai bună monitorizare a pacienţilor, noua tehnică ar putea oferi informaţii la nivel de populaţie despre TCC şi alte afecţiuni neurologice.
De asemenea, ar putea permite oamenilor de ştiinţă să colecteze date despre creierul sănătos şi să afle mai multe despre modul în care acesta controlează funcţiile cognitive, senzoriale, motorii şi autonome.
„Descoperirile noastre arată că putem extrage informaţii funcţionale utile cu această metodă”, a declarat Liu.
Până când noile tehnologii vor fi supuse unor teste clinice, fUSI şi implantul transparent rămân experimentale.
Între timp, echipa de cercetare lucrează la îmbunătăţirea protocoalelor fUSI pentru a îmbunătăţi şi mai mult rezoluţia imaginii.
Cercetările viitoare ar trebui, de asemenea, să se bazeze pe acest studiu timpuriu de validare a conceptului prin testarea mai multor participanţi pentru a stabili mai bine legătura dintre datele fUSI şi funcţiile specifice ale creierului, au declarat cercetătorii.
Echipa colaboreze în continuare cu tănărul participant la studiu pentru a perfecţiona noi tehnologii, inclusiv spectroscopia cu laser, care măsoară fluxul sanguin în creier.
„Contribuţiile sale ne-au ajutat cu adevărat să explorăm noi frontiere care sperăm că, în cele din urmă, pot ajuta mulţi alţi pacienţi”, au menţionat oamenii de ştiinţă.
