Stimolazione cerebrale con ultrasuoni 3D contro le malattie neurologiche

Il trasduttore ad ultrasuoni a matrice 3D per la neurostimolazione transcranica è in grado di stimolare punti specifici in profondità nel cervello con precisione. © 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

Nella pianificazione della terapia, i campi sonori vengono calcolati e definiti per una regione specifica del cervello. © Fraunhofer IBMT

Sistema di terapia ad ultrasuoni per la neurostimolazione transcranica. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller / Ultrasound therapy system for transcranial neurostimulation. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller

Ricercatori Fraunhofer hanno sviluppato una tecnologia che permette di utilizzare segnali ultrasonici per la stimolazione mirata delle aree cerebrali. Un sistema ultrasuoni speciale con 256 trasduttori ultrasonici controllabili singolarmente è in grado di dirigere e stimolare con precisione singoli punti in profondità nel cervello. In futuro, la innovativa tecnologia 3D del suono del Fraunhofer Institute for Biomedical Engineering IBMT potrebbe essere impiegata nel trattamento di malattie come epilessia, Parkinson, depressione, dipendenze o anche le conseguenze di ictus.

L'attività elettrica di circa 86 miliardi di neuroni costituisce la base delle capacità del cervello di elaborare stimoli sensoriali, immagazzinare informazioni, prendere decisioni e controllare le funzioni del corpo. Di conseguenza, anche malattie come Parkinson, epilessia o tremore dipendono dalla elaborazione dei segnali e dall'interazione tra le cellule nervose. Da decenni, i ricercatori cercano di trattare le malattie neurologiche tramite stimolazione elettrica o elettromagnetica delle aree cerebrali interessate. Tuttavia, metodi come la stimolazione con campi magnetici esterni, a causa della loro precisione relativamente limitata, non producono ancora risultati ottimali. L'impianto chirurgico di elettrodi nel cervello, invece, è molto rischioso.

Scienziati del Fraunhofer IBMT a St. Ingbert, nel Saarland, lavorano su una neurostimolazione non invasiva delle aree cerebrali basata sugli ultrasuoni. L'applicatore (testa di emissione) viene posizionato sulla testa tramite un pad flessibile. I segnali ultrasonici sono di intensità così bassa da non danneggiare i tessuti cellulari e possono essere focalizzati con grande precisione grazie a una regolazione 3D del fascio sonoro (Beam-Steering 3D). Medici e ricercatori ripongono grandi speranze in questa tecnologia. In futuro, potrebbe essere impiegata nel trattamento di varie malattie neurologiche come epilessia o per le conseguenze di ictus. I ricercatori del Fraunhofer sviluppano questa procedura nell'ambito di diversi progetti di ricerca pubblici e industriali, collaborando con partner in Germania, UE, USA, Canada e Australia.

Segnali sonori 3D stimolano in profondità

I ricercatori del Fraunhofer, nel team del responsabile di reparto Steffen Tretbar, hanno sviluppato una configurazione unica per questa tecnologia. Permette di dirigere le onde ultrasoniche su singoli punti nel cervello e di mirare con precisione anche quando si trovano in profondità nei tessuti. A tal fine, il team ha creato un particolare trasduttore sonoro con 256 elementi singoli, un trasduttore ultrasonico. Ognuno dei 256 elementi può essere controllato singolarmente. Tretbar spiega: «Attraverso un controllo individuale dei 256 canali elettronici, la terapia con ultrasuoni diventa tridimensionale. Gli elementi disposti a scacchiera del trasduttore irradiano l'area cerebrale desiderata da angolazioni diverse. Così, il punto focale, cioè il punto in cui si incontrano i raggi, può essere impostato a una profondità specifica nel tessuto cerebrale. La terapia può quindi essere personalizzata per ogni paziente.»

Per i trasduttori, i ricercatori del Fraunhofer utilizzano elementi piezoelettrici. Questi cambiano superficie quando viene applicata una tensione, producendo così ultrasuoni. Attualmente, i ricercatori lavorano a un ulteriore aumento della precisione, impiegando due trasduttori ultrasonici contemporaneamente e incrociando dinamicamente i raggi nel target. La combinazione di un fuoco molto piccolo, tra tre e cinque millimetri, e la possibilità di posizionarlo quasi ovunque in profondità nel cervello permette una modulazione mirata e allo stesso tempo delicata delle aree cerebrali. Le frequenze ultrasoniche sono nell'intervallo a bassa frequenza sotto 1 MHz, ad esempio circa 500 kHz. «L'uomo non percepisce nulla e, grazie alla bassa intensità, l'ultrasuono è considerato sicuro secondo le attuali ricerche», spiega Tretbar. Per un trattamento che, secondo le stime dei medici, durerà solo pochi minuti per sessione, non è necessario radere i capelli. Prima di posizionare il pad con il modulo ad ultrasuoni sulla testa, basta applicare un gel conduttivo sui capelli.

Punti di riferimento dalla risonanza magnetica

Il team del Fraunhofer IBMT ha sviluppato, oltre al trasduttore ultrasonico e all'elettronica, anche il software che controlla singolarmente i 256 elementi del trasduttore. I dati necessari per la pianificazione vengono ottenuti dall'esame di risonanza magnetica del paziente. In esso vengono evidenziate le aree cerebrali responsabili della malattia neurologica e la loro posizione. Le marcature vengono integrate in un dataset che viene inserito nel software di controllo. Con questi dati di posizione, i segnali ultrasonici possono essere allineati con precisione. È inoltre possibile programmare il dispositivo a inviare le sequenze di ultrasuoni in modo predefinito o seguendo determinati schemi di movimento. In futuro, i medici potranno impostare tutti i parametri individualmente per ogni paziente. «Questo è ancora un campo di ricerca relativamente nuovo, ma molto promettente. Attualmente, cliniche e ricercatori in tutto il mondo stanno sviluppando e testando sequenze di ultrasuoni di questo tipo», aggiunge Tretbar.

Il Fraunhofer IBMT ha anni di esperienza nello sviluppo di array ultrasonici, sistemi a più canali e nella formazione di fasci sonori tramite beam-steering. Grazie a questa expertise, è stata creata una piattaforma tecnologica universale, in continua evoluzione. «I ricercatori possono utilizzare la nostra piattaforma tecnologica per sviluppare diverse terapie e testarle anche in studi clinici futuri», afferma Tretbar.

Alleviare i sintomi

Medici e specializzandi non si aspettano una cura completa con il trattamento a ultrasuoni per malattie come Parkinson ed epilessia, ma almeno un sollievo visibile dai sintomi. Inoltre, gli ultrasuoni rappresentano un'alternativa promettente ai farmaci tradizionali. A lungo termine, con questa tecnologia, si potrebbero sviluppare scenari come la rimozione di placche nelle cellule cerebrali in Alzheimer o il trattamento di depressione e dipendenze di origine neuronale.

Il team del Fraunhofer collabora con ricercatori di vari partner di progetto e università. Il Prof. Andreas Melzer, direttore dell'Innovation Center for Computer Assisted Surgery (ICCAS) dell'Università di Lipsia, ripone grandi speranze in questa tecnologia innovativa: «La possibilità di colpire punti profondi nel cervello con precisione e di sequenziare i segnali ultrasonici apre future opportunità di sperimentare e sviluppare neurostimolazioni personalizzate.»