CC BY
24VIII Международная научно-практическая конференция
УДК 534.7
Миронова Арина Александровна Mironova Arina Aleksandrovna
Студентка
Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова
ПРИМЕНЕНИЕ НИЗКОИНТЕНСИВНОГО УЛЬТРАЗВУКА ДЛЯ НЕЙРОМОДУЛЯЦИИ СТРУКТУР ГОЛОВНОГО МОЗГА ЧЕЛОВЕКА
APPLICATION OF LOW-INTENSITY ULTRASOUND FOR
NEUROMODULATION OF STRUCTURES THE HUMAN BRAIN
Аннотация. Низкоинтенсивный сфокусированный ультразвук (LIFU) -это новая форма неинвазивной модуляции головного мозга с многообещающими перспективами. В настоящее время проводятся активные эксперименты по изучению нейромодулирующего действия LIFU на головной мозг животных, исследования на людях находятся пока на начальной стадии. В данном обзоре обобщены результаты опубликованных работ по влиянию LIFU на модуляцию головного мозга человека.
Ключевые слова. низкоинтенсивный ультразвук, нейромодуляция, головной мозг, человек.
Abstract. Low-intensity focused ultrasound (LIFU) is a new form of non-invasive brain modulation with promising prospects. Currently, active experiments are being conducted to study the neuromodulating effect of LIFU on the brain of animals, research on humans is still at an initial stage. This review summarizes the results of published works on the influence of LIFU on the modulation of the human brain.
Keywords: low-intensity ultrasound, neuromodulation, brain, human.
Низкоинтенсивный сфокусированный ультразвук (LIFU) является уникальным среди методов транскраниальной стимуляции мозга в сочетании с высоким пространственным разрешением (порядка нескольких миллиметров) и возможностью стимуляции подкорковых структур (глубиной более 10 см) через неповрежденный череп.
«Вопросы развития современной науки и техники»
Сфокусированный низкоинтенсивный ультразвук способен проходить
через кожу головы и череп и безопасно взаимодействовать с тканями головного мозга.
Нейромодулирующие эффекты применения LIFU за последние 20 лет были продемонстрированы в большом количестве исследований на животных [1]. Исследований на людях было проведено значительно меньше. Эксперименты проводились как на здоровых (большинство), так и на больных людях.
В исследованиях на людях использовались различные параметры ультразвука: частота от 0,21 до 0,86 МГц (за исключением исследования Hameroff et al., в котором частота составила 8 МГц при воздействии на пациентов с хронической болью, и исследования Gibson et al., в котором была использована частота 2,32 МГц) [2]; продолжительность воздействия ультразвуком 300 - 500 мс, 15-30 с.
Воздействие LIFU применялось на различные участки головного мозга человека с различными комбинациями параметров.
Стимуляция низкоинтенсивным ультразвуком первичной моторной коры (М1) у здоровых людей привела к двигательной реакции. Так, в исследовании Ai et al. воздействие на целевую область большого пальца в первичной моторной коре привела к двигательному ответу со стороны большого пальца, при этом воздействие не распространилось на функционально связанные соседние области среднего и указательного пальца. Это говорит о пространственном эффекте воздействия LIFU. [3]
Аналогичные эксперименты по воздействию на первичную моторную кору проводились у животных, где также наблюдался активный двигательный ответ тех или иных мышц. Было отмечено, что важным отличием в исследованиях на животных и людях является объем черепа, который влияет на внутричерепное распространение ультразвука (меньший объем приводит к большему взаимодействию звукового поля и усиливает ультразвуковой эффект).
VIII Международная научно-практическая конференция Возбуждающий эффект от воздействия низкоинтенсивного ультразвука
был обнаружен и в исследовании Gibson et al. [4]. Его результаты показали
увеличение краткосрочной корковой возбудимости в моторной коре под
воздействием LIFU, что, в свою очередь, говорит о возможности использования
низкоинтенсивного ультразвука в качестве нейромодулирующего инструмента
для изменения активности первичной моторной коры. В отличие от
транскраниальной магнитной стимуляции и электростимуляции головного
мозга, для LIFU характерна большая анатомическая точность, а также большая
глубина без значительных изменений в поверхностных областях головы.
В исследовании Lee et al. стимуляция первичной соматосенсорной (S1) области головного мозга вызвала временные тактильные ощущения в области руки, противоположной обработанному ультразвуком полушарию, вплоть до кончиков пальцев [5].
Таблица 1. «Типы тактильных ощущений, вызванных обработкой LIFU первичной соматосенсорной области головного мозга»
Места ощущений Соотношение испытуемых Типы ощущений
палец 11/11 100% Покалывание
Предплечье 5/11 95,5% тяжесть
локоть 2/11 18,2% онемение
рука 4/11 36,4% Ощущение слабого электрического тока
подмышка 1/11 9,1% зуд
стопа 1/11 9,1% охлаждение
Возникновение тактильных ощущений в столь обширных областях, исследователи связали с возможным смещением фокуса ультразвука, который вызвал стимулирование соседних соматосенсорных областей, не связанных с руками. Изменение пути ультразвукового луча на поверхности черепа, индивидуальная анатомия черепа, а также движение головы субъектов во время испытаний могли способствовать возникновению смещения.
«Вопросы развития современной науки и техники»
В дополнение к субъективным отчетам о тактильных ощущениях,
электроэнцефалограмма показала характерные пики, вызванные стимуляцией ультразвуком.
Стимулирующие эффекты воздействия LIFU были временными и обратимыми и не вызывали дискомфорта или побочных эффектов у участников исследования.
Аналогичные результаты были достигнуты при стимуляции вторичной соматосенсорной (S2) области головного мозга [6].
Интерес для исследователей представляет возможность воздействия низкоинтенсивным ультразвуком на таламус человека. Это связано с глубоким расположением этого отдела в головном мозге и затрудненность воздействия на него другими видами нейростимуляции.
Исследования на животных показали, что ультразвуковая стимуляция таламуса способна увеличить внеклеточный уровень дофамина и серотонина и снизить внеклеточный уровень у-аминомасляной кислоты [7, с. 153— 160]. Считается, что изменения этих основных нейромедиаторов возбуждения и торможения связана с модулирующим воздействием LIFU на активность нервной системы.
В 2016 году группа исследователей Monti et al. воздействовала на таламус пациента, который находится в коме после тяжелой черепно-мозговой травмы, полученной в ДТП, низкоинтенсивным ультразвуком с помощью аппарата BXPulsar 1001, Brainsonix Inc., содержащего одноэлементный ультразвуковой преобразователь, работающий на основной частоте 650 кГц. LIFU вводился частотой повторения импульса 100 Гц и длительностью импульса 0,5 мс. В общей сложности было проведено 10 процедур, каждая длительностью 30 секунд с такими же по продолжительности паузами. По окончании лечения пациент продемонстрировал полное понимание речи и ответную реакцию на задаваемые ему вопросы [8].
Однако, ученые не могли утверждать, что улучшение состояние пациента было связано с LIFU, а не стало следствием случайного стечения обстоятельств.
VIII Международная научно-практическая конференция
В дальнейшем этой командой был проведен эксперимент, в котором
воздействию LIFU были подвергнуты три пациента, которые в течение от 15 до 66 месяцев находились в хроническом вегетативном состоянии или минимальном сознательном состоянии.
Таламус пациентов стимулировался LIFU под контролем МРТ в течение двух сеансов с интервалом в одну неделю. В каждом сеансе LIFU применялся с частотой повторения импульсов 100 Гц, длительностью импульса 0,5 мс, частотой 650 кГц.
В результате у двух из трех пациентов наблюдалось клинически значимое улучшение поведенческой реакции (однако, состояние одного из них было нестабильным, и через три месяца после последней процедуры он вернулся в исходное состояние). Тем не менее, данные исследования показывают, что, во-первых, процедура LIFU под контролем МРТ возможна у пациентов с хроническим расстройством сознания; во-вторых, воздействие низкоинтенсивного ультразвука хорошо переносится пациентами, является безопасным (в ходе эксперимента не было отмечено изменений жизненно важных показателей пациентов (артериального давления, частоты сердечных соеращений, кислорода в крови) или каких-либо других побочных эффектов [9].
Воздействие на заднюю лобную долю головного мозга (и лобную кору) в исследовании Hameroff et al. привело к тому, что настроение пациентов с хронической болью улучшилось через 10 и 40 минут (по сравнению с плацебо) после начала воздействия низкоинтенсивным ультразвуком. Также было обнаружено уменьшение боли через 40 минут после воздействия LIFU и снижение артериального давления через 10 минут после начала воздействия, что, возможно, указывало на расслабление пациента [10, с. 409-415].
Надо отметить, что обнаруженный Hameroff et al. эффект улучшения настроения возникает только при стимуляции ультразвуком лобной доли головного мозга. Воздействие на первичную моторную кору, первичную и вторичную соматосенсорные области головного мозга такого результата не дают.
«Вопросы развития современной науки и техники» Вероятно, это объясняется тем, что эффекты применения
низкоинтенсивного ультразвука являются специфичными для местоположения
стимуляции головного мозга.
Sanguinetti et а1. показали, что стимулирование правой нижней лобной
извилины с помощью низкоинтенсивного ультразвука может оказывать влияние
на настроение человека (улучшать его). При этом наблюдается изменение связей
между нижней лобной извилиной и другими частями головного мозга, которые
участвуют в эмоциональной регуляции [11]
Аналогичным образом, Reznik et а1. обнаружили, что стимуляция правой
лобно-височной области у лиц с депрессией значительно улучшила их состояние,
настроение, сняв беспокойство по сравнению с контрольной группой [12].
Исследования по воздействию LIFU на височную область головного мозга
говорят о том, что низкоинтенсивный ультразвук может оказывать безопасное
нейрофизиологическое воздействие на головной мозг и является
многообещающей неинвазивной терапией для изменения сознательных и
бессознательных психических состояний и расстройств.
В целом можно говорить о том, что сфокусированный низкоинтенсивный
ультразвук является многообещающим инструментом для нейромодуляции
структур головного мозга человека; однако исследования в данной области
находятся еще на начальной стадии. Необходимо продолжить изучение вопросов
безопасности ультразвука как для здоровых, так и больных людей;
оптимизировать параметры LIFU (например, интенсивность, частоту, параметры
импульсного воздействия, в частности, длительность и частоту повторения
импульсов, коэффициент заполнения или скважность, число сессий, общее время
воздействия и т.д.) для состояний, связанных с конкретными заболеваниями.
Кроме того, необходимо продолжить выяснять механизм биоэффектов LIFU.
Из-за различий в размере, толщине черепа и геометрии мозга параметры
LIFU, используемые для стимуляции головного мозга у животных, с меньшей
вероятностью могут быть переведены на людей.
VIII Международная научно-практическая конференция
Технология LIFU все еще имеет определенные недостатки, в частности,
она не подходит для использования у пациентов с высокой плотностью костной ткани, что препятствует прохождению ультразвука через кости черепа. LIFU технически менее эффективен в тех случаях, когда участок для стимуляции находится в отдалении от структур головного мозга, расположенных в центре мозга, в районе таламуса.
Необходимо решать проблемы, связанные с расфокусировкой фокусированного ультразвука при прохождении через нерегулярный по форме и толщине череп человека и животных. Эти характеристики могут существенно отличаться не только от человека к человеку, но и для одного и того же человека в различных участках черепа.
Очевидно, что исследования возможности применения фокусированного ультразвука малой интенсивности (LIFU) для нейромодуляции структур головного мозга человека должны быть продолжены.
Библиографический список:
1. Rezayat E., Toostani I.G. A review on brain stimulation using low intensity focused ultrasound [Электронный ресурс]. - Режим доступа: URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4981830/; Baek H., Pahk K.J. , Kim H. A review of low-intensity focused ultrasound for neuromodulation//Biomedical Engineering Letters. - 2017. - № 7. P. 135-142; Bystritsky A., Korb A.S., Douglas P.K. , et al.A review of low-intensity focused ultrasound pulsation ultrasound [Электронный ресурс]. - Режим доступа: URL: https://friedmanfellows.com/assets/pdfs/elibrary/Bystritsky_Korb_2011_FUS_Revie w.pdf
2. Gibson, B. C., Sanguinetti, J. L., Badran, B. W., Yu, A. B., Klein, E. P., Abbott, C. C., et al. (2018). Increased excitability induced in the primary motor cortex by transcranial ultrasound stimulation. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: URL: https://www.researchgate.net/publication/329254772_Increased_Excitability _Induced_in_the_Primary_Motor_Cortex_by_Transcranial_Ultrasound_Stimulation;
«Вопросы развития современной науки и техники» Hameroff S., Trakas M., Duffield C., Annabi E., Gerace M. B., Boyle P., et al. Transcranial ultrasound (TUS) effects on mental states: a pilot study. Brain Stimul. 6, 409-415.
3. Ai L., Bansal P., Mueller J. K., Legon W. Effects of transcranial focused ultrasound on human primary motor cortex using 7T fMRI: a pilot study. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: URL: https:// bmcneurosci.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12868-018-0456-6
4. Gibson, B. C., Sanguinetti, J. L., Badran, B. W., Yu, A. B., Klein, E. P., Abbott, C. C., et al. (2018). Increased excitability induced in the primary motor cortex by transcranial ultrasound stimulation. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: URL: https://www.researchgate.net/publication/329254772_Increased_Excitability _Induced_in_the_Primary_Motor_Cortex_by_Transcranial_Ultrasound_Stimulation
5. Lee W., Kim H., Jung Y., Song I. U., Chung Y. A., Yoo S. S. Image-guided transcranial focused ultrasound stimulates human primary somatosensory cortex. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: URL: https://www.nature. com/articles/srep08743
6. Lee W., Chung Y. A., Jung Y., Song I. U., Yoo S. S. Simultaneous acoustic stimulation of human primary and secondary somatosensory cortices using transcranial focused ultrasound. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: URL: https://bmcneurosci.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12868-016-0303-6
7. Yang P. S., Kim H., Lee W., Bohlke M., Park S., Maher T. J., et al. Transcranial focused ultrasound to the thalamus is associated with reduced extracellular GABA levels in rats//Neuropsychobiology 65, 153-160.
8. Monti et al. Non-invasive ultrasonic thalamic stimulation in disorders of consciousness after severe brain injury: a first-in-man report. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: URL: https://montilab.psych.ucla.edu/wp-content/uploads/ sites/49/2015/11Monti_etal_Letter_ThalamicLIFUP_BrainStimulation.pdf
9. Monti et al. Ultrasonic thalamic stimulation on chronic disorders of consciousness. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: URL: https://www.bra instimjrnl.com/article/S1935-861X(21)00009-7/fulltext
VIII Международная научно-практическая конференция
10. Hameroff S., Trakas M., Duffield C., Annabi E., Gerace M. B., Boyle P., et al. Transcranial ultrasound (TUS) effects on mental states: a pilot study. Brain Stimul. 6, 409-415.
11. Sanguinetti, J. L., Hameroff, S., Smith, E. E., Sato, T., Daft, C. M., Tyler, W. J., et al. Transcranial focused ultrasound to the right prefrontal cortex improves mood and alters functional connectivity in humans. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: URL: https: //www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnhum.2020.00052/full
12. Reznik, S. J., Sanguinetti, J. L., Tyler, W. J., Daft, C., and Allen, J. J. A double-blind pilot study of transcranial ultrasound (TUS) as a 5-day intervention: TUS mitigates worry among depressed participants. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://riversonicsolutions.com/publications/tfus-dep-2020.pdf
