Спустя столетие после того, как первое в мире устройство ультразвукового обнаружения было изобретено в ответ на затопление Титаника, ученые Исследовательского института Carilion Tech Carilion из Вирджинии предоставили первые нейрофизиологические доказательства того, что исследователи давно подозревали: ультразвук применяется к периферии, например к кончикам пальцев. , может стимулировать различные сенсорные пути, ведущие к мозгу.
И это только верхушка айсберга. Открытие имеет значение для диагностики и лечения нейропатии, от которой страдают миллионы людей во всем мире.
"В идеале неврологи должны уметь адаптировать лечение к конкретным ощущениям, которые испытывают их пациенты," сказал Уильям "Джейми" Тайлер, доцент Исследовательского института карилиона в Вирджинии, который руководил исследованием, опубликованным на этой неделе в PLOS ONE. "К сожалению, даже с помощью современных технологий сложно стимулировать одни виды ощущений, не вызывая других. Импульсный ультразвук позволяет нам выборочно активировать функциональные подмножества нервных волокон, чтобы мы могли изучить, что происходит, когда вы стимулируете, например, только периферические волокна и пути центральной нервной системы, которые передают ощущение быстрой, острой боли, или только те, которые передают это ощущение. медленной, тупой, пульсирующей боли."
По оценкам, только в Соединенных Штатах 20 миллионов человек страдают невропатией – набором расстройств нервной системы, которые могут вызывать боль, онемение и ощущение жжения, зуда и покалывания. Одна из наиболее частых причин невропатии – диабет 2 типа. Аутоиммунные расстройства, такие как волчанка и синдром Гийена-Барре; травматическое повреждение нерва; генетические аномалии; двигательные расстройства; и инфекционные заболевания, такие как ВИЧ / СПИД, болезнь Лайма и проказа, также могут вызывать невропатию.
"При невропатии задействованы как двигательные нервы, которые контролируют движение мышц, так и сенсорные нервы, воспринимающие такие ощущения, как тепло, боль и прикосновение," Тайлер сказал. "Таким образом, врачи могут использовать, например, небольшие резонаторные устройства для вибрации кожи или лазеры для нагрева поверхности кожи. Но мы хотели разработать метод, который мог бы активировать поверхностные и глубокие механические рецепторы, термические рецепторы и даже их комбинации. Итак, мы использовали импульсный ультразвук."
В 1970-х годах группа советских ученых сделала наблюдения, что ультразвук может стимулировать различные нервные пути, но их доказательства были лишь анекдотическими, когда испытуемые просто описывали ощущения тепла, боли или вибрации. В текущем исследовании исследователи использовали функциональную магнитно-резонансную томографию (фМРТ) и электроэнцефалографию (ЭЭГ), чтобы предоставить физиологические доказательства этих ранних наблюдений.
Участники исследования положили указательные пальцы на ультразвуковые преобразователи, одновременно отслеживая активность мозга с помощью фМРТ и ЭЭГ. Ученые обнаружили, что они могут стимулировать определенные соматосенсорные пути, просто изменяя формы ультразвуковых волн.
Тайлер считает, что открытие имеет важное значение для диагностики боли.
"Современные методы диагностики и характеристики боли иногда могут показаться архаичными," Тайлер сказал. "Например, чтобы измерить боль с помощью механической стимуляции, врачи могут касаться кожи нейлоновыми мононитями, известными как волоски фон Фрея, или гладить кожу кистью. Для термального сенсорного тестирования пациенты могут даже окунуть руки в ледяную воду, пока боль не станет слишком сильной. Мы надеемся предоставить врачам более точные диагностические инструменты."
«Лучшая диагностика приведет к лучшему лечению», – сказал нейробиолог Майкл Фридлендер, исполнительный директор Исследовательского института карилиона штата Вирджиния.
"Объединив импульсный ультразвук с технологиями регистрации активности мозга, Джейми Тайлер и его коллеги выводят это на совершенно новый уровень диагностики," Фридлендер сказал. "И диагностика в конечном итоге будет стимулировать терапию. Это исследование является отличным примером того, как новые технологии могут быть адаптированы для реальных, ориентированных на пациента диагнозов и лечения."
Тайлер отметил, что открытие может привести к другим приложениям.
"Ультразвуковые преобразователи могут быть выполнены в виде гибких плоских стелек для сенсорной стимуляции людей, потерявших чувствительность ног, в том числе пожилых людей, которые подвергаются такому риску падения," он сказал. "Хирургические инструменты могут обеспечивать тактильную обратную связь для хирургов, проходящих обучение. И я могу представить бесчисленное множество приложений для бытовой электроники. Пользователи уже полагаются на двустороннюю соматосенсорную связь со своими устройствами, а периферическая стимуляция с помощью ультразвука может добавить этому общению новые измерения."
Исследователи теперь будут исследовать, какие параметры ультразвука стимулируют какие типы нервных волокон или рецепторов. Тайлер также надеется изучить людей с диабетом 2 типа, у которых еще не развилась невропатия, с конечной целью – дать подсказки для лечения или даже предотвращения боли, связанной с этим заболеванием.
Это исследование может быть усилено открытием, которое удивило Тайлера во время исследования PLOS ONE.
"Чего мы не ожидали, так это того, что сканирование мозга показало активацию болевых путей, но добровольцы сообщили, что не ощущают дискомфорта," Тайлер сказал. "Это интригующая находка. Хотя мы еще не знаем его полного значения, возможность активировать классические болевые пути, не вызывая перцепционной боли, может помочь нам понять, как мозг обрабатывает боль."