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Cibler le cerveau avec des ondes sonores
Les ondes ultrasonores, actuellement utilisées en médecine pour les examens prénatals et à d'autres fins diagnostiques, pourraient un jour être utilisées comme moyen non invasif de contrôler l'activité cérébrale. Au cours des deux dernières années, les scientifiques ont commencé à expérimenter des ultrasons à basse fréquence et à faible intensité qui peuvent pénétrer dans le crâne et activer ou faire taire les cellules du cerveau. Les chercheurs espèrent que la technologie pourrait fournir une alternative aux techniques plus invasives, telles que la stimulation cérébrale profonde (DBS) et la stimulation du nerf vague, qui sont utilisées pour traiter un nombre croissant de troubles neurologiques.
Les ondes cérébrales : Les scientifiques utilisent des ultrasons à basse intensité et basse fréquence pour activer le cerveau. Les neurones activés dans une tranche de tissu cérébral sont représentés ici en rouge.
Une fois que les gens ont découvert ce qu'ils peuvent faire avec la DBS et la stimulation du nerf vague, nous pensons pouvoir débrancher ces appareils et contrôler l'activité de l'extérieur du corps, dit William (Jamie) Tyler , neuroscientifique à l'Arizona State University, à Tempe. Tyler a lancé une société appelée SynSonix pour commercialiser la technologie.
Les appareils conçus pour traiter les troubles cérébraux ont gagné en popularité ces dernières années. Le DBS, qui est utilisé pour traiter la maladie de Parkinson, la dystonie et les troubles obsessionnels compulsifs, délivre une décharge électrique au cerveau via une électrode implantée. Cependant, en raison de sa nature invasive, la DBS n'est utilisée que pour les cas graves qui ne peuvent être traités avec des médicaments. Une technique moins invasive est la stimulation magnétique transcrânienne (SMT), dans laquelle une bobine électrique placée au-dessus de la tête génère un champ magnétique qui traverse le crâne et excite les neurones du cerveau en dessous. La TMS est utilisée pour traiter la dépression clinique, mais elle ne peut cibler que les parties les plus superficielles du cerveau.
Avec les ultrasons, nous avons une bien meilleure mise au point spatiale qu'avec le DBS, explique Tyler. Et contrairement au TMS, nous pouvons aller n'importe où dans le cerveau. L'échographie, constituée d'ondes sonores d'une fréquence supérieure à 20 kilohertz, est utilisée depuis des décennies en médecine pour imager les muscles, les organes et les fœtus. Au cours des cinq dernières années, de meilleurs outils pour focaliser l'énergie ultrasonore ont permis son utilisation comme outil d'ablation : les chirurgiens peuvent désormais utiliser des ultrasons à haute intensité et haute fréquence (HIFU) pour brûler essentiellement les fibromes utérins. HIFU est également en test clinique pour le traitement des tumeurs cérébrales, des tumeurs du sein et du cancer de la prostate.
Ces mêmes outils permettent maintenant aux scientifiques d'appliquer des ultrasons pour contrôler le cerveau, une idée qui existe depuis des décennies. De meilleurs transducteurs à ultrasons, qui génèrent les ondes acoustiques, permettent une focalisation plus précise de l'énergie ultrasonore. Et l'imagerie par résonance magnétique (IRM) utilisée en conjonction avec les ultrasons permet aux chirurgiens de cibler plus précisément des zones spécifiques du corps. La capacité de marier les ultrasons focalisés avec le guidage MR [résonance magnétique] est extrêmement puissante, dit Neal Kassell , neurochirurgien à l'Université de Virginie, à Charlottesville, et président du Fondation pour la chirurgie ciblée par ultrasons , une organisation à but non lucratif basée à Charlottesville qui a été fondée pour développer de nouvelles applications pour les ultrasons focalisés.
L'un des défis de l'utilisation des ultrasons pour cibler le cerveau est de trouver comment faire passer les ondes sonores à travers le crâne de manière contrôlée. En règle générale, les ultrasons fonctionnent dans la gamme des mégahertz à gigahertz, des fréquences qui conviennent parfaitement pour traverser les tissus mous, mais qui liquéfieraient les os. (Lorsque l'os absorbe l'énergie de l'onde acoustique, il se réchauffe.) Des chercheurs du Brigham and Women's Hospital, à Boston, ont découvert qu'une fréquence ultrasonore de moins d'un mégahertz peut faire l'affaire, mais avec un compromis : le baissez la fréquence, plus il est difficile de concentrer l'énergie sur un point particulier du cerveau.
Au cours de la dernière année, cependant, les scientifiques ont réussi à résoudre ce compromis. Des images détaillées du crâne générées par tomodensitométrie et IRM peuvent aider les scientifiques à calculer la meilleure façon de focaliser les ondes sonores, selon Seung Schik Yoo , neuroscientifique à la Brigham and Women's et à la Harvard Medical School. Dans des travaux non encore publiés, Yoo et ses collègues ont démontré que les ultrasons à basse fréquence et à faible intensité peuvent supprimer avec succès l'activité visuelle dans le cerveau des lapins, ainsi que déclencher sélectivement l'activité dans le cortex moteur. Nous examinons également la capacité de moduler les hormones ou les neurotransmetteurs, ce qui peut avoir des applications pour les troubles psychiatriques, l'obésité et la toxicomanie, explique Yoo.
Dans un article publié l'année dernière dans la revue PLoS UN , Tyler a démontré que les ultrasons à basse fréquence et à faible intensité peuvent activer des canaux situés dans la membrane des cellules nerveuses d'une tranche de tissu cérébral, incitant les cellules à envoyer un message électrique à travers le circuit neuronal. Depuis, il a pu utiliser les ultrasons pour stimuler le cortex moteur et déclencher le mouvement chez des souris vivantes. Ce travail n'a pas encore été publié.
Les chercheurs espèrent coopter des instruments développés pour HIFU pour cette nouvelle application. Plusieurs fabricants d'instruments ont développé des réseaux phasés de transducteurs à ultrasons, qui permettent un ciblage précis de l'énergie ultrasonore, et qui sont actuellement testés pour l'élimination des tumeurs cérébrales. En fonction de l'anatomie individuelle du crâne, vous pouvez programmer l'équipement à ultrasons pour déclencher des éléments individuels afin de fournir un faisceau bien caractérisé, en termes d'emplacement et de taille, qui peut être adapté à chaque patient, explique Yoo.
Les ultrasons focalisés étant déjà largement utilisés, les chercheurs sont convaincus qu'ils ne rencontreront aucun obstacle majeur pour passer aux tests cliniques. Pour les neurologues et les neurochirurgiens, c'est une technique bien établie, explique Tyler. Les marges de sécurité sont bien connues. Ajoute Kassell, je pense qu'il sera en fait plus facile d'obtenir l'approbation [que ce ne l'était pour HIFU] parce que la pression des ultrasons focalisés est inférieure à celle que le cerveau reçoit du Doppler transcrânien, un appareil de diagnostic utilisé pour examiner les vaisseaux dans la tête après accident vasculaire cérébral et hémorragie.
Kassell dit que la fondation est plus intéressée par l'utilisation d'ultrasons à basse intensité et basse fréquence pour la planification chirurgicale. Chez les patients épileptiques, les chirurgiens pourraient utiliser la technologie pour faire taire temporairement un morceau de tissu cérébral censé être responsable du déclenchement des crises, confirmant ainsi la localisation correcte, puis utiliser HIFU pour procéder à l'ablation de ce morceau de tissu.
Tyler s'intéresse surtout à l'utilisation des ultrasons focalisés pour le traitement de la maladie de Parkinson. Comme il n'est pas invasif, nous pourrions peut-être traiter les patients beaucoup plus tôt dans la progression, dit-il. À l'heure actuelle, les personnes atteintes de DBS sont les pires patients.
Alors que les dispositifs initiaux ressembleraient probablement à une version plus petite des appareils d'IRM, le traitement des patients atteints de la maladie de Parkinson nécessiterait un dispositif portable ou implantable capable de fournir une stimulation continue. L'équipe de Tyler travaille sur des transducteurs à ultrasons flexibles qui pourraient être implantés sur le crâne ou formulés dans un capuchon.
On ne sait pas encore clairement comment les ultrasons déclenchent l'activité électrique dans les neurones, mais certains pensent que c'est grâce à l'énergie thermique générée par les ondes sonores. Tyler, cependant, dit qu'il a des preuves que les neurones sont activés par l'énergie mécanique. Des recherches antérieures ont en effet montré que les canaux neuronaux qui contrôlent l'activité électrique dans le cerveau peuvent être activés par une pression mécanique. Ce que nous pensons qui se passe est une sorte d'effet microcavitationnel, tel que le rayonnement ou la contrainte pure, qui affecte les canaux qui contrôlent l'activité neuronale, dit-il.