用于非侵入性超声脑部治疗的声学技术

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由加州大学圣地亚哥分校的工程师领导的一个团队开发了一种设备,这是实现无创的、基于超声波的大脑疗法的第一步。例如,超声波目前正在临床试验中用于治疗癫痫。

用于非侵入性超声脑部治疗的声学技术

目前的方法正在聚焦超声波以达到大脑中的特定目标。但这已被证明是困难的,因为超声波倾向于在颅骨内反弹,这导致大脑的某些区域过度暴露,而其他区域则没有充分暴露。在最坏的情况下,这可能导致脑组织出血和过热。

“我们不能修改头骨的内部,”资深作者,加州大学圣地亚哥分校机械与航空航天工程系的James Friend教授说。“我们唯一能做的就是改变产生声音的设备的工作方式。

研究人员尝试了一种不同的方法:扩散超声波而不是聚焦它们。他们通过在产生超声波的换能器上放置一个微尺度扩散器来实现这一点。该设备基于施罗德扩散器构建,这是最好的声音扩散器数学模型可以提供的。这与用于设计音乐厅的数学原理相同,因此每个观众都可以完美地听到音乐。

该团队在2月16日的Advanced NanoBiomed Research中详细介绍了他们的研究。超声波被应用于被索尔克研究所的研究人员设计成对超声波刺激反应更灵敏的细胞。细胞暴露于腺病毒,导致它们形成对超声波敏感的称为TRPA1的离子通道。

“通过使用有针对性的方法进行这种递送,我们可以使用均匀分布的超声波而不是聚焦超声波。”Friend说。

研究人员表明,该装置首先在具有人类胚胎肾细胞和神经元细胞的培养皿中按预期工作。有扩散器的细胞TRPA1通道的激活程度是无扩散器的两倍。

此外,研究人员在小鼠身上使用了带有超声波发生器的扩散器。他们发现扩散器在颅腔中产生均匀的声场,确保只有对超声波敏感的大脑区域受到刺激。

“声波遗传学背后的想法是设计细胞对超声波刺激更敏感。”Friend实验室的博士生,该论文的第一作者Aditya Vasan说。

“我们通过筛选在特定压力和频率下对超声波刺激作出反应的蛋白质来做到这一点;并通过基因工程特定的大脑区域来表达这些蛋白质。

扩散器由微小的凹坑构成,用于调节超声波的发射方式。具体而言,扩散器确保波以交错的方式发射,这有助于防止产生回波。凹坑的深度是使用施罗德扩散器模型计算的。

接下来的步骤包括更好地了解超声波刺激细胞的方式,并进行更广泛的体内研究。“声波遗传学的目标之一是控制哪些细胞做出反应:把它想象成一个旋钮,控制你能准确控制的灯光。”Vasan表示,最终希望证明声波遗传学在人身上起作用。

文章来源:21dB声学人,原文源于:sciencedaily

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