L’attività elettrica di circa 86 miliardi di neuroni è ciò che conferisce al cervello la capacità di elaborare input sensoriali, immagazzinare informazioni, prendere decisioni e controllare le funzioni corporee. Ciò significa anche che malattie e condizioni come il morbo di Parkinson, l’epilessia e i tremori dipendono dall’elaborazione del segnale e dall’interazione tra le cellule nervose. Armati di questa conoscenza, i ricercatori hanno trascorso gli ultimi decenni lavorando per trattare problemi neurologici con stimolazione elettrica o elettromagnetica delle aree pertinenti del cervello. Ma metodi come la stimolazione con campi magnetici esterni non hanno ancora prodotto risultati ottimali a causa della precisione relativamente bassa dei loro effetti. La neurochirurgia, come nel contesto della stimolazione cerebrale profonda (DBS), è attualmente lo standard clinico quando si tratta di stimolazione cerebrale terapeutica. Tuttavia, rimane una procedura rischiosa a causa di potenziali effetti collaterali come emorragia o infezione.
Gli scienziati del Fraunhofer IBMT di St. Ingbert, nello stato del Saarland, in Germania, stanno lavorando su modi per utilizzare gli ultrasuoni per la neurostimolazione non invasiva di queste aree del cervello. L’applicatore (una sonda a ultrasuoni nota come trasduttore) viene posizionato sulla testa utilizzando un cuscinetto flessibile. I segnali ultrasonici sono di intensità così bassa che non danneggiano il tessuto cellulare, mentre allo stesso tempo possono essere focalizzati con precisione grazie a una funzione nota come beam steering 3D.
Sia i medici che i ricercatori hanno grandi speranze per la nuova tecnologia. In futuro, potrebbe essere utilizzata per trattare un’ampia gamma di malattie e condizioni neurologiche come l’epilessia o per trattare gli effetti collaterali dell’ictus. I ricercatori del Fraunhofer stanno sviluppando il metodo come parte di vari progetti di ricerca pubblici e industriali, collaborando con partner con sede in Germania, altrove nell’UE e negli Stati Uniti, in Canada e in Australia.
Segnali sonori 3D per la stimolazione profonda
Guidato dal capo dipartimento Steffen Tretbar, il team di ricercatori del Fraunhofer ha ideato un sistema unico per la nuova tecnologia. Questo approccio consente di dirigere le onde ultrasoniche verso singoli punti nel cervello e di colpirli anche quando si trovano in profondità nel tessuto. Per raggiungere questo obiettivo, il team ha sviluppato uno speciale trasduttore a ultrasuoni con 256 elementi individuali, ognuno dei quali può essere controllato individualmente. Tretbar spiega l’idea: “il controllo individuale dei 256 canali elettronici rende il trattamento a ultrasuoni 3D. Gli elementi del trasduttore sono disposti come una scacchiera e colpiscono l’area desiderata del cervello da diverse angolazioni. Ciò significa che la messa a fuoco, il punto in cui i fasci si incontrano, può essere impostata a una certa profondità nel tessuto cerebrale, in modo che il trattamento possa essere personalizzato per i singoli pazienti”.
I ricercatori del Fraunhofer utilizzano elementi piezoelettrici per i trasduttori. Questi elementi subiscono oscillazioni quando viene applicata una tensione, producendo ultrasuoni. I ricercatori stanno attualmente lavorando per aumentare ulteriormente la precisione utilizzando due trasduttori a ultrasuoni contemporaneamente e incrociando i fasci in modo dinamico nell’area bersaglio. Combinando una messa a fuoco molto stretta tra tre e cinque millimetri con un posizionamento praticamente illimitato della messa a fuoco in profondità nel cervello, è possibile modulare con precisione le varie aree del cervello su una base mirata senza danneggiare il tessuto. Le frequenze degli ultrasuoni utilizzate sono nella parte bassa dell’intervallo, sotto 1 MHz. Ad esempio, può essere utilizzata una frequenza di circa 500 kHz. “La persona non sente nulla e poiché gli ultrasuoni hanno un’intensità bassa nell’intervallo di ciò che viene applicato per la diagnosi, non ci sono effetti collaterali negativi sul tessuto secondo lo stato attuale della ricerca“, spiega Tretbar. Non è necessario radere la zona da trattare e i medici stimano che una seduta di terapia duri solo pochi minuti. L’unica preparazione necessaria prima di posizionare il cuscinetto con il modulo a ultrasuoni sulla testa è massaggiare un gel di contatto sui capelli del paziente.
Punti marcatori dalla risonanza magnetica
Oltre al trasduttore a ultrasuoni e ai componenti elettronici, il team del Fraunhofer IBMT ha anche sviluppato il software utilizzato per controllare i 256 singoli elementi del trasduttore. Il software ottiene i dati necessari per scopi di pianificazione dalle scansioni MRI di quel paziente. Le aree del cervello responsabili del problema neurologico specifico del paziente e il loro posizionamento sono contrassegnate nell’immagine. Questi contrassegni vengono quindi incorporati in un record di dati che viene immesso nel software di controllo. I dati sulla posizione possono essere utilizzati per dirigere i segnali a ultrasuoni esattamente dove sono necessari. È anche possibile programmare il dispositivo a ultrasuoni per trasmettere i fasci in una sequenza predefinita o seguire specifici schemi di movimento. Ciò significa che i medici potrebbero impostare tutti i parametri del dispositivo individualmente per ogni paziente in futuro. “Questo è ancora un campo di ricerca molto nuovo, ma è anche molto promettente. In questo momento, centri medici e ricercatori in tutto il mondo stanno lavorando per sviluppare e testare questo tipo di sequenze a ultrasuoni“, aggiunge Tretbar.
Il Fraunhofer IBMT vanta anni di esperienza nello sviluppo di array di ultrasuoni e sistemi di ultrasuoni multicanale e nella formazione di fasci sonori tramite beam steering. Questa competenza ha costituito la base per una piattaforma tecnologica universalmente utilizzabile che è in fase di ulteriore sviluppo su base continuativa. “I ricercatori possono utilizzare la nostra piattaforma tecnologica per sviluppare un’intera gamma di trattamenti diversi e testarli anche in sperimentazioni cliniche in futuro”, afferma Tretbar.
Alleviare i sintomi
I medici non si aspettano che il trattamento con ultrasuoni curi malattie come il Parkinson o l’epilessia, ma credono che avrà un effetto evidente nell’alleviare i sintomi. Gli ultrasuoni sono anche un’alternativa promettente ai farmaci convenzionali. A lungo termine, la nuova tecnologia potrebbe plausibilmente essere utilizzata anche in scenari come la rottura della placca nelle cellule cerebrali di persone affette da Alzheimer o per curare la depressione e i disturbi da dipendenza causati da fattori neurologici.
Il team Fraunhofer sta lavorando con ricercatori di vari partner di progetto e università. Il Prof. Andreas Melzer, direttore esecutivo dell’Innovation Center Computer Assisted Surgery (ICCAS) presso la Facoltà di Medicina dell’Università di Lipsia, ripone grandi speranze nella tecnologia innovativa: “la capacità di colpire con precisione anche i punti più profondi del cervello e il sequenziamento dei segnali ultrasonici apriranno opportunità completamente nuove per testare e sviluppare la neurostimolazione individuale”.
Vuoi ricevere le notifiche sulle nostre notizie più importanti?