Впервые в мире ученые буквально открыли окно в человеческий мозг. Они вставили прозрачную панель в череп пациента и смогли собирать с ее помощью данные изображений с высоким разрешением, пока пациент бодрствовал и выполнял задачи. Это был первый раз, когда такой подвиг был достигнут. Исследование опубликовано в журнале Science Translational Medicine.
Пациентом, добровольно вызвавшимся принять участие в этом новаторском исследовании, был 39-летний Джаред Хагер, который получил черепно-мозговую травму (ЧМТ) во время катания на скейтборде в 2019 году. Как это часто бывает в таких случаях, часть черепа Хагера пришлось удалить хирургическим путем, чтобы дать место ткани мозга для набухания во время заживления.
Из-за задержек во время пандемии COVID-19 Хагер не мог установить протез для восстановления черепа более двух лет.
В ожидании операции Хагер вызвался участвовать в исследовательском проекте, которым руководил Чарльз Лю, профессор Медицинской школы Кека и директор Центра нейровосстановления Университета Южной Калифорнии, в сотрудничестве с коллегой Джонатаном Рассином и командой из Калифорнийского технологического института. Когда пришло время операции по установке протеза Хагеру, он снова объединился с учеными, которые к этому времени исследовали новую технику, называемую функциональной ультразвуковой визуализацией (fUSI).
По сравнению с МРТ, УЗИ дешевле, портативнее и удобнее для пациента. Вам также придется лежать неподвижно в аппарате МРТ, тогда как с помощью ультразвука вы можете собирать данные, пока люди занимаются обычными делами.
У пациентов с ЧМТ часто развиваются неврологические проблемы, включая деменцию, поэтому есть надежда, что фУЗИ станет способом мониторинга этого явления. «Если мы сможем извлечь функциональную информацию через имплантат черепа пациента, это позволит нам проводить лечение более безопасно и активно», — пояснил Лю.
Загвоздка в том, что фУЗИ не работает через обычный протез черепа. Именно здесь возникла идея прозрачного окна. Изготовленное из полиметилметакрилата – немного похожего на плексиглас – оно служило двойной цели: восстанавливало череп Хагера, а также позволяло собирать данные визуализации мозга. Весь кусок пластика имел толщину 4 миллиметра с участком толщиной 2 миллиметра, обеспечивающим доступ ультразвукового преобразователя к теменной и моторной коре головного мозга.
«Эта область мозга, которая важна для формирования намерений и выполнения двигательных действий, уже тщательно изучена с помощью других методов в нашей лаборатории», — пояснил в другом заявлении профессор Ричард Андерсен, член команды Калифорнийского технологического института.
Команда уже провела некоторое моделирование, а также эксперименты на крысах, чтобы опробовать различные типы имплантатов и отточить параметры fUSI для получения оптимальных результатов. Данные приматов доказали, что этот метод может предоставить полезную информацию. Теперь пришло время опробовать это на человеке.
До и после операции Хагера попросили решить головоломку «Соедини точки» на компьютере и сыграть несколько мелодий на гитаре во время УЗИ. Ключевой вопрос заключался в том, будет ли фУЗИ по-прежнему точным и точным, если проводить его через прозрачное пластиковое окно.
«Точность, конечно, снизилась, но, что немаловажно, наши исследования показали, что она все еще достаточно высока, чтобы быть полезной. И в отличие от других платформ интерфейса «мозг-компьютер», которые требуют имплантации электродов в мозг, здесь гораздо меньше препятствий для внедрения», — сказал Лю.
Установка окна в мозгу не только позволяет проводить такие изящные эксперименты, но и в конечном итоге может быть даже лучше для пациентов, как объяснил Руссин: «Одна из больших проблем, когда мы проводим эти операции, заключается в том, что тромб может форма под имплантатом, но наличие прозрачного окна дает нам простой способ контролировать это».
Если бы большему количеству людей был предложен этот альтернативный протез, это могло бы позволить ученым собрать полезные данные о результатах ЧМТ в более широком масштабе. Прежде чем технология сможет получить более широкое распространение, потребуются клинические испытания, и необходимы дополнительные исследования, чтобы опираться на данные, полученные от Хагера.
«Джаред — потрясающий парень», — с энтузиазмом сказал Лю. «Его вклад действительно помог нам открыть новые горизонты, которые, как мы надеемся, в конечном итоге помогут многим другим пациентам». Эта работа уже началась, и внимание обращено на другие экспериментальные технологии, такие как лазерная спектроскопия.
«Наши результаты показывают, что с помощью этого метода мы можем извлечь полезную функциональную информацию», — сказал Лю. «Следующий шаг: какая конкретная функциональная информация нам нужна и для чего мы можем ее использовать?»
