Mit einer neuen Ultraschalltechnik können Forschende erstmals mehrere Stellen im Gehirn gleichzeitig stimulieren. Das Verfahren eröffnet neue Möglichkeiten für künftige Therapien gegen Alzheimer, Parkinson, Depressionen und weitere Krankheiten.
Das erste Bild eines Menschen ist ein Ultraschallbild aus dem Mutterleib. Doch Ultraschall kann weit mehr: Schon lange wird er in der Physiotherapie genutzt, um Körpergewebe zu erwärmen, und mit hochintensivem Ultraschall und dessen Hitzeentwicklung im Körperinnern können Tumore zerstört werden. Seit gut zehn Jahren erforschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler außerdem, wie sich mit wenig intensivem Ultraschall gezielt die Nervenaktivität im Gehirn beeinflussen lässt. Erste klinische Studien überprüfen bereits, ob sich mit solcher Neuromodulation die Symptome bei Alzheimer, Epilepsie oder das Zittern von Tremorbetroffenen lindern lassen.
Präzision in völlig neuem Ausmaß
Forschenden der ETH Zürich, der Universität Zürich und der New York University ist es nun gelungen, die Ultraschall-Neuromodulation im Gehirn zu verbessern. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler entwickelten ein Gerät, mit dem sich im Gehirn erstmals gleichzeitig drei oder bis zu fünf präzis definierte Punkte stimulieren lassen, wie sie in einer Studie zeigen. Bisher war das höchstens ansatzweise und sehr viel unpräziser möglich.
„Das Gehirn funktioniert in Netzwerken. Es ist daher einfacher, ein Hirnnetzwerk anzuregen oder zu dämpfen, wenn man das an mehreren Punkten gleichzeitig macht“, erklärt Daniel Razansky. Er ist Professor an der ETH Zürich und der Universität Zürich und hat die Arbeit gemeinsam mit einem Kollegen der New York University geleitet.
Durch die Schädeldecke hindurch
Die Neuromodulation erfolgt bei dieser Technik durch die Schädeldecke hindurch. Das Gerät wird auf den Kopf gerichtet. Es handelt sich um eine nicht-invasive Methode: Ein chirurgischer Eingriff ist nicht nötig.
Die Forschenden führten die Neuromodulation im Labor an Mäusen durch. Dazu platzierten sie deren Kopf unter einer selbst entwickelten Haube mit mehreren hundert Ultraschall-Wandlern. Über eine ausgeklügelte Steuerungselektronik erzeugen diese Wandler kurze Ultraschall-Impulse so, dass sich die Ultraschallwellen im Gehirn gegenseitig auslöschen oder verstärken. Das Prinzip ist vergleichbar mit einem Hologramm, einem dreidimensional wirkenden Bild, das durch die Wechselwirkung von Lichtwellen erzeugt wird. Bei der neuen Methode der Forschenden aus Zürich und New York entstehen durch die Überlagerung vieler Ultraschallwellen einzelne Brennpunkte.
Keine hohe Intensität nötig
Indem die Forschenden Hirnnetzwerke an mehreren Punkten gleichzeitig modulieren, können sie im Vergleich zur Modulation an einem Punkt mit weniger intensivem Ultraschall arbeiten. „Je weniger intensiv der Ultraschall, desto sicherer ist das für das Gehirn“, erklärt Razansky.
Frühere Anläufe zur Ultraschall-Neuromodulation litten oft unter einem Alles-oder-nichts-Effekt: Zu schwacher Ultraschall hatte keinen Effekt, während eine zu starke Intensität zu einer unkontrollierten Erregung des ganzen Gehirns führte, verbunden mit der Gefahr, dieses zu schädigen. Außerdem kann intensiver Ultraschall Gefäßschäden verursachen oder zu Überhitzung des Schädels oder des Gehirns führen.
Mechanischer Einfluss auf Proteine
Niedrigintensive Ultraschall-Impulse haben kurzzeitige Effekte, darunter auch ein kurzer Temperaturanstieg im Fokusbereich. Darüber hinaus beeinflussen sie mutmaßlich auch kanalförmige Proteine an der Oberfläche von Nervenzellen, die den Transport von Ionen in die Zellen und aus ihnen heraus kontrollieren. Welche Mechanismen in welchem Ausmaß dazu beitragen, dass Nervenzellen angeregt oder gedämpft werden, müssen Forschende erst noch im Detail untersuchen.
Mit der neuen Methode ist es außerdem möglich, Hirnnetzwerke nicht nur anzuregen, sondern diese Anregung gleichzeitig mittels Bildgebung sichtbar zu machen. Die Forschenden können unmittelbar überprüfen, welche Netzwerke sie angeregt haben.
Die jüngste Studie, die die Forschenden in der Fachzeitschrift Nature Biomedical Engineering veröffentlichten, diente der Entwicklung der Technologie und hatte noch keine medizinische Anwendung zum Ziel.
Tierversuche für diese Forschung zwingend
Diese Studie und die Zusammenarbeit mit den Forschenden der New York University wurden maßgeblich finanziert durch die amerikanischen National Institutes of Health. Weil die Behörde derzeit unter politischem Druck stehe und keine Gelder mehr ins Ausland vergebe, könnten die Forschenden die Zusammenarbeit derzeit nicht im gleichen Rahmen fortsetzen, erklärt Razansky. Er möchte sie jedoch mit anderen Finanzierungsquellen so gut es geht weiterführen.
Als Nächstes wollen sich die Forschenden Anwendungen widmen und die Technologie in Tierversuchen bei verschiedenen Krankheiten testen. Mögliche medizinische Anwendungsfelder sind neben Alzheimer, Tremor und Epilepsie auch Depressionen, Parkinson sowie die Therapie nach einem Hirnschlag.
„Für unsere Forschung sind wir auf Tiere angewiesen“, betont Razansky. „Es wäre nicht möglich, solche Entwicklungen einem so frühen Stadium an Menschen zu erforschen. Zunächst müssen wir lernen, wie wir den Eingriff kontrollieren können, und wir müssen gewährleisten, dass er für die Behandlung von Gehirnerkrankungen sicher und wirksam und ist.“
Razanskys Gruppe ist auf die Entwicklung von Ultraschall- und Bildgebungs-Methoden spezialisiert, auf die Ingenieuraspekte und Datenanalyse. Die Kollegen aus New York trugen ihre Neurowissenschafts-Expertise bei. Die Entwicklung des Geräts und die Experimente fanden in Zürich statt.
Quelle: Pressemeldung Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich) (idw, 3.10.25)
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