Estimulación cerebral con ultrasonido 3D contra enfermedades neurológicas

El transductor de ultrasonido de matriz 3D para estimulación neurocraneal puede estimular puntos específicos en lo profundo del cerebro con una focalización precisa. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller / The 3D matrix ultrasound transducer for transcranial neurostimulation can stimulate specific points deep inside the brain with precision targeting. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller

En la planificación de la terapia, los campos sonoros se calculan y definen para una región específica del cerebro. © Fraunhofer IBMT / En la planificación de la terapia, los campos sonoros se calculan y definen para una región específica del cerebro. © Fraunhofer IBMT

Sistema de terapia por ultrasonidos para la neuroestimulación transcraneal. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller / Sistema de terapia por ultrasonidos para la neuroestimulación transcraneal. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller

Investigadores del Fraunhofer han desarrollado una tecnología que permite utilizar señales ultrasónicas para la estimulación dirigida de áreas cerebrales. Un sistema ultrasónico especial con 256 transductores ultrasónicos controlables individualmente es capaz de dirigir y estimular puntos específicos en las profundidades del cerebro con precisión. En el futuro, la innovadora tecnología de sonido en 3D del Instituto Fraunhofer para Tecnología Biomédica IBMT podría ser utilizada en el tratamiento de enfermedades como epilepsia, Parkinson, depresión, adicciones o también en las secuelas de accidentes cerebrovasculares.

La actividad eléctrica de aproximadamente 86 mil millones de células nerviosas es la base de las capacidades del cerebro para procesar estímulos sensoriales, almacenar información, tomar decisiones y controlar funciones corporales. Por lo tanto, enfermedades como Parkinson, epilepsia o temblores también dependen del procesamiento de señales y de la interacción de las células nerviosas. Desde hace décadas, los investigadores intentan tratar enfermedades neurológicas mediante estimulación eléctrica o electromagnética de las áreas cerebrales correspondientes. Sin embargo, métodos como la estimulación mediante campos magnéticos externos aún no ofrecen resultados óptimos debido a su precisión relativamente baja. La colocación quirúrgica de electrodos en el cerebro, por otro lado, es muy arriesgada.

Investigadores del IBMT del Fraunhofer en St. Ingbert, Sarre, trabajan en una neuroestimulación no invasiva de las áreas cerebrales basada en ultrasonidos. El aplicador correspondiente (cabezal de sonido) se coloca sobre la cabeza mediante una almohadilla flexible. Sus señales ultrasónicas tienen una intensidad tan baja que no dañan el tejido celular, y además, pueden ser enfocadas con gran precisión mediante un control en 3D del haz de sonido (beam steering 3D). Por ello, médicos e investigadores tienen grandes esperanzas en esta tecnología. En el futuro, podría usarse para tratar diversas enfermedades neurológicas como epilepsia o para las secuelas de accidentes cerebrovasculares. Los investigadores del Fraunhofer desarrollan este procedimiento en el marco de varios proyectos de investigación públicos e industriales, colaborando con socios de Alemania, la UE, EE. UU., Canadá y Australia.

Señales de sonido en 3D que estimulan en profundidad

Los investigadores del Fraunhofer, en el equipo del director de departamento Steffen Tretbar, han desarrollado una estructura única para esta tecnología. Esto permite dirigir las ondas ultrasónicas a puntos específicos en el cerebro y abordarlos con precisión incluso cuando se encuentran en profundidades del tejido. Para ello, el equipo ha desarrollado un cabezal de sonido con 256 elementos individuales, un transductor ultrasónico. Cada uno de los 256 elementos del transductor puede controlarse de forma independiente. Tretbar explica la idea básica: «Mediante un control individual de los 256 canales electrónicos, el tratamiento ultrasónico se vuelve en 3D. Los elementos dispuestos en forma de tablero de ajedrez del transductor irradian el área cerebral deseada desde diferentes ángulos. Por ello, el foco, es decir, el punto donde se cruzan los haces, puede colocarse a una profundidad específica en el tejido cerebral. Así, el tratamiento puede adaptarse individualmente a cada paciente.»

Para los transductores ultrasónicos, los investigadores del Fraunhofer utilizan elementos piezoeléctricos. Estos cambian su superficie cuando se les aplica una tensión, produciendo así ultrasonido. Actualmente, trabajan en aumentar aún más la precisión, empleando dos transductores ultrasónicos simultáneamente y cruzando dinámicamente los haces en la zona objetivo. La combinación de un foco muy pequeño, de entre tres y cinco milímetros, y la colocación casi arbitraria del foco en la profundidad del cerebro permite una modulación dirigida y a la vez suave de las áreas cerebrales. Las frecuencias ultrasónicas se sitúan en el rango de baja frecuencia, por debajo de 1 MHz, por ejemplo, alrededor de 500 kHz. «El ser humano no percibe nada y el ultrasonido, debido a su baja intensidad, es seguro según el estado actual de la investigación», explica Tretbar. Para un tratamiento que, según estimaciones de médicos, durará solo unos minutos por sesión, no es necesario afeitar el cabello. Antes de colocar la almohadilla con el módulo ultrasónico en la cabeza, solo hay que aplicar un gel de contacto en el cabello.

Puntos marcadores de la resonancia magnética

El equipo del IBMT del Fraunhofer, además del transductor ultrasónico y la electrónica, ha desarrollado también el software que controla individualmente los 256 elementos del transductor. Los datos necesarios para planificar se obtienen de los resultados de una resonancia magnética del paciente. En ella, se marcan las áreas cerebrales responsables de la enfermedad neurológica específica y su posición. Estas marcas se integran en un conjunto de datos que se introduce en el software de control. Con estos datos de posición, los haces ultrasónicos pueden alinearse con precisión. Además, es posible programar el dispositivo ultrasónico para que envíe los haces en una secuencia predefinida o que sigan patrones de movimiento específicos. De esta forma, en el futuro, los médicos podrán ajustar todos los parámetros individualmente para cada persona. «Este es un campo de investigación aún relativamente nuevo, pero muy prometedor. Actualmente, clínicas e investigadores en todo el mundo trabajan en desarrollar y probar estas secuencias ultrasónicas», añade Tretbar.

El IBMT del Fraunhofer cuenta con años de experiencia en el desarrollo de arreglos ultrasónicos, sistemas ultrasónicos multicanal y en la formación de haces mediante beam steering. Basándose en esta experiencia, se ha creado una plataforma tecnológica de uso universal, que continúa en desarrollo. «Los investigadores pueden utilizar nuestra plataforma tecnológica para desarrollar todo tipo de terapias y, en el futuro, probar también en ensayos clínicos», afirma Tretbar.

Alivio de síntomas

Los médicos no esperan una cura completa para enfermedades como Parkinson o epilepsia mediante la estimulación ultrasónica, pero sí un alivio perceptible de los síntomas. Además, el ultrasonido representa una alternativa prometedora a los medicamentos tradicionales. A largo plazo, con esta nueva tecnología, también se pueden imaginar escenarios como eliminar placas en las células cerebrales en casos de Alzheimer o tratar depresiones y adicciones de origen neuronal.

El equipo del Fraunhofer colabora con investigadores de diferentes socios y universidades en varios proyectos. El profesor Andreas Melzer, director del Centro de Innovación en Cirugía Asistida por Computadora (ICCAS) de la Universidad de Leipzig, tiene grandes esperanzas en esta tecnología innovadora: «La posibilidad de alcanzar puntos profundos en el cerebro con precisión, así como la secuenciación de las señales ultrasónicas, abre en el futuro nuevas oportunidades para experimentar y desarrollar neuroestimulación personalizada.»