Ultrassom focado gerado opticamente para estimulação cerebral não invasiva com precisão ultra-alta

Para entender como o cérebro funciona e como sua disfunção causa doenças, são necessárias modalidades para modular a atividade neuronal com alta precisão. Modalidades de estimulação cerebral com precisão milimétrica geralmente ativam múltiplas regiões funcionais e causam respostas não intencionais.

Portanto, uma ferramenta de neuromodulação com precisão ultra-alta é necessária para mapear o cérebro sub-regiões modulando uma pequena população de neurônios. As ferramentas de estimulação elétrica são um padrão-ouro para estudos de neuromodulação e tratamentos de doenças, mas o vazamento de corrente ao longo de vários milímetros limita o controle preciso de segmentação.

A optogenética fornece uma resolução espacial subcelular incomparável e especificidade em tipos de células-alvo, mas a transfecção viral limitou suas aplicações no cérebro humano. O emergente foco transcraniano ultrassom (tFUS) como método de neuromodulação não invasivo oferece precisão milimétrica em vários modelos.

Uma baixa frequência ultrassônica de ~ 1 MHz ou menos é preferida em tFUS para alta eficiência transcraniana, mas limita sua resolução espacial em 1 a 5 milímetros. Até agora, a estimulação cerebral não invasiva por ultrassom focalizado com resolução espacial de 0,1 mm não foi demonstrada. A neuromodulação não genética não invasiva com precisão ultra-alta continua sendo uma necessidade crítica não atendida.

Em um novo artigo publicado em Luz: Ciência e Aplicaçõesuma equipe de cientistas e engenheiros, liderada pelo professor Ji-Xin Cheng e Chen Yang da Universidade de Boston, EUA, desenvolveu o ultrassom focado gerado opticamente (OFUS) para estimulação cerebral não invasiva com precisão ultra-alta.

O OFUS é gerado por uma almofada optoacústica macia (SOAP) fabricada através da incorporação de nanopartículas de fuligem de vela em um filme curvo de polidimetilsiloxano. Através do efeito optoacústico, nanopartículas de fuligem de vela absorvem o pulso de laser incidente e convertem a energia em expansão e compressão térmica, resultando na geração de um pulso de ultrassom.

Um foco transcraniano com precisão ultra-alta de 83 µm foi alcançado pelo SOAP, que está além do alcance do tFUS de baixa frequência baseado em piezo. Tal avanço se beneficiou da alta frequência acústica gerada a partir da camada mista de nanopartículas de fuligem de vela e PDMS, e foi levado ao limite através do desenho geométrico com uma alta abertura numérica.

O OFUS permite a estimulação direta e transcraniana de ciclo único de forma confiável e segura, verificada por imagem de cálcio em neurônios cultivados in vitro. A modulação de ciclo único única de OFUS foi encontrada para evocar potenciais de ação com entrada de energia de ultra-som total muito menor do que a de tFUS.

Os pesquisadores também validaram a neuroestimulação transcraniana não invasiva com OFUS em camundongos por imagem de imunofluorescência e registro eletrofisiológico. Portanto, OFUS oferece precisão ultra-alta de forma não invasiva para pesquisas neurológicas em sub-regiões de um cérebro.

Notavelmente, OFUS mostra o potencial excitante para o tratamento de doenças, como a modulação da função cerebral complexa e a histotripsia. Para evocar funções complexas do cérebro, o dispositivo OFUS pode ser ampliado em uma matriz massiva para neuromodulação multissítio. Enquanto as matrizes de ultrassom convencionais baseadas em PZT com cabos maciços conectados a cada elemento são pesadas para os pacientes, o dispositivo OFUS leve também oferece acessibilidade e usabilidade aprimoradas para tratamentos de longo prazo.

Além disso, os dispositivos OFUS, sem componentes metálicos, oferecem compatibilidade aprimorada com orientação de ressonância magnética (RM) em tempo real e monitoramento funcional de RM. Esses recursos do OFUS permitem a avaliação de fMRI em tempo real do tratamento de estimulação e oferecem oportunidades para tratamentos de circuito fechado em aplicações clínicas. Além disso, OFUS oferece uma oportunidade para melhorar o controle espaço-temporal na histotripsia.

Transdutores convencionais para histotripsia são acionados sob milhares de volts, sofrendo o risco de ruptura dielétrica. O OFUS pode melhorar o controle espacial com uma frequência mais alta, fornecer uma melhor precisão temporal com ciclo único e fornecer ultrassom com alta intensidade simplesmente melhorando a energia da luz de entrada sem o risco de ruptura dielétrica.

As características únicas destacam uma direção futura da aplicação do OFUS em cirurgia de ultrassom com controle espaço-temporal aprimorado, danos minimizados e acúmulo de calor nos tecidos circundantes.