neuroni

    Ultrasuoni utilizzati per la riattivazione cerebrale di un cervello in coma

    Ultrasuoni terapeutici per “risvegliare” un cervello in coma

    Partiamo con ordine: cosa sono gli ultrasuoni?
    Gli ultrasuoni sono onde acustiche con una frequenza che convenzionalmente è fissata intorno ai 20 kHz, per differenziarle dalle onde invece acustiche, percepibili quindi dall’orecchio umano.
    In particolare nell’ambito medico la frequenza utilizzata varia dai 20 kHz ai 2 MHz.
    Come tutte le onde, anche quelle ultrasoniche (US) sono soggette ai fenomeni di rifrazione, riflessione e diffrazione, oltre ad essere definite mediante i soliti parametri: lunghezza d’onda, frequenza, velocità di propagazione, intensità ( dB) e attenuazione, la quale dipende dall’impedenza acustica del materiale attraversato dalle onde.

    In ambito medico, le US vengono impiegate sostanzialmente in due campi ben distinti: nella realizzazione di immagini con finalità diagnostica e nella terapia.
    L’esame più comunemente conosciuto è l’ecografia, in particolare nel reparto di ostetricia, ma viene sfruttato anche per diagnosi in campo cardiaco.

    Restart di un cervello per superare il coma

    Quanto seguirà è successo in America, nell’University of California di Los Angeles (UCLA), dove un team di ricercatori ha sperimentato, per la prima volta e con successo, un modo per far “ripartire” un cervello appena uscito dal coma.
    Il paziente in questione è un ragazzo di 25 anni, sottoposto ad una serie di impulsi ad ultrasuoni, chiaramente sotto il monitoraggio costante del personale ospedaliero.

    “È stato come riaccendere di colpo i neuroni, e riportarli in funzione”

    racconta Martin Monti, ricercatore della Ucla e coordinatore dell’esperimento

    Martin Monti, Professore presso la University of California Los Angeles (UCLA) nei dipartimenti di Psicologia e Neurochirurgia.
    Martin Monti, Professore presso la University of California Los Angeles (UCLA) nei dipartimenti di Psicologia e Neurochirurgia.
    newsroom.ucla.edu

    “Fino ad oggi esisteva un unico modo per farlo, ma si tratta di un’operazione chirurgica impegnativa, che prevede di impiantare degli elettrodi direttamente all’interno del talamo. Il nostro approccio, al contrario, è completamente non invasivo”.

    Lo studio, pubblicato sul Bain Stimulation, si è basato su una tecnica chiamata Low-Intensity Focused Ultrasound Pulsation, inventata dagli stessi ricercatori della UCLA; i vantaggi che offre sono innumerevoli, primo tra tutti la non invasività e l’assoluta mancanza di rischio, seguito poi dalla possibilità di modulazione.
    In precedenza, questa stessa tecnica fu applicata anche per ridurre crisi epilettiche in pazienti affetti da epilessia.

    La procedura ha previsto l’uso di una sorta di disco, puntato direttamente sul talamo del paziente appena uscito dal coma, in grado di creare un fascio di ultrasuoni ben mirati.
    Il trattamento, in particolare, è stato effettuato per 10 volte, ognuna per 30 secondi per un periodo totale di 10 minuti, con risultati eccezionali: infatti, dopo un solo giorno di trattamento si sono verificati segnali di miglioramento e a soli tre giorni dalla terapia il paziente era tornato ad avere una normale condizione di coscienza e di comprensione linguistica. Poteva muovere la testa correttamente per dire “si” o “no” e ha persino sferrato un pugno ad uno dei medici.

    Stimolazione diretta del talamo tramite la Low-Intensity focused ultrasound pulsation
    Stimolazione diretta del talamo tramite la Low-Intensity Focused Ultrasound Pulsation (Ultrasuoni a bassa intensità)
    thescienceexplorer.com

    Nonostante i risultati estremamente soddisfacenti, i ricercatori placano gli animi, asserendo che sono necessari ulteriori studi per confermare l’effettiva validità della terapia.

    “E’ possibile essere incappati in un caso molto fortunato, con un paziente sottoposto a stimolazione proprio nello stesso istante in cui lui stesso si stava riprendendo spontaneamente”

    spiega Monti, il quale chiarisce che l’intera terapia potrebbe dare nuove speranze di recupero per coloro che sono intrappolati nelle profondità di coma.

    Se lo studio avrà successo, sarà dunque possibile creare un dispositivo simile ad un casco, accessibile a tutti, da poter utilizzare comodamente a casa, senza recarsi costantemente in ospedale.

    Gli stessi ricercatori della UCLA hanno inoltre avviato uno spin-off per poter riprodurre il dispositivo appena descritto.

    LOW-INTENSITY FOCUSED ULTRASOUND PULSATION (LIFUP)

    La tecnologia della neuromodulazione ( ovvero un insieme di modificazioni della trasmissione degli impulsi nervosi indotte a scopo terapeutico, sia a livello del sistema nervoso centrale che periferico, mediante stimolazione elettrica o somministrazione di farmaci) offre un vantaggio notevole rispetto al trattamento farmacologico, in quanto la sua influenza sui circuiti neuronali è più diretto e focalizzato.
    Queste caratteristiche la rendono attraente sia per i neuroscienziati che per i clinici, in quanto può essere utilizzato per diagnosticare malfunzionamenti e modificare i meccanismi biologici neurologici e psichiatrici.

    Ma quali sono i vantaggi della LIFUP nella neuromodulazione e nella stimolazione cerebrale?
    Attualmente sono sul mercato diversi tipi di tecniche di neuromodulazione invasive chirurgiche: la stimolazione del nervo vago (VNS), la stimolazione cerebrale profonda (DBS), impiantato di stimolazione elettrocorticale (IES) e la stimolazione epidurale corticale (ECS).
    Inoltre, esistono anche diverse tecnologie di neuromodulazione minimamente invasive, come la TMS, la stimolazione a elettroterapia craniale (CES), la stimolazione transcranica a corrente continua (tDCS) e la stimolazione del nervo trigemino (TNS).

    Come si può evincere da questo elenco, le tecniche di neuromodulazione e stimolazione cerebrale sono molteplici.
    Gli US possono penetrare il cranio e possono essere utilizzati per ablazioni, sfruttandone le proprietà termiche ( HIFU, High Intensity Focused Ultrasound).
    Sono inoltre onde acustiche, non magnetiche, quindi possono essere utilizzate con successo simultaneamente e facilmente al fMRI (functional Magnetic Resonance Imaging), per la mappatura ad alta risoluzione del cervello.
    L’utilizzo congiunto delle due le tecniche, cioè l’ablazione con HIFU, guidata da risonanza magnetica funzionale, è stato utilizzato sperimentalmente per sradicare tumori cerebrali.

    LIUFP utilizzata simultaneamente alla rtfMRI imaging.
    LIUFP utilizzata simultaneamente alla rtfMRI immagini.
    https://www.researchgate.net

    Permangono comunque diverse questioni ancora aperte, prima che l’uso di LIFUP negli esseri umani a fini diagnostici e terapeutici possa diventare una realtà.
    -In primo luogo, gli ultrasuoni hanno effetti reversibili sulla conduttività neuronale: qual è la natura degli effetti?
    -In secondo luogo, può la LIFUP produrre effetti sul tessuto cerebrale visibili tramite fMRI?
    -In terzo luogo, quali parametri (come ad esempio, intensità, frequenza e durata di ultrasuoni scoppia e la lunghezza dell’intervallo dell’impulso) dovrebbero essere utilizzati sia per la stimolazione o inibizione del tessuto neuronale?
    -In quarto luogo, è possibile che la LIFUP penetri il cranio in modo analogo alla HIFU?

    Le risposte a tutte queste domande sono state affrontate di recente e tuttora sono oggetti di studio.

    Neurons.

    Rigenerazione cerebrale e Reanima: intervista alla Bioquark

    Il cinema e le serie tv, spesso e volentieri, ci propongono come protagonisti i cosiddetti “morti viventi”, altresì conosciuti come zombie, o addirittura supereroi in grado di rigenerare qualunque parte del loro corpo.

    Ma se questa eventualità fosse realmente possibile?

    Close-Up Engineering ha intervistato l’azienda americana Bioquark Inc. che si occupa di ricerca, studio e implementazione di farmaci biologici mirati alla rigenerazione cellulare e alla vera e propria cura di malattie che fino ad oggi possono essere solo lenite, come ad esempio il Parkinson o l’Alzheimer.

    Ira S. Pastor - Chief Executive Officer
    Ira S. Pastor – Chief Executive Officer.
    PH: ©Reanima

     

    Cos’è la Bioquark?

     

    Come ci viene spiegato dall’amministratore delegato Ira S. Pastor

    Bioquark Inc è una società americana fondata nel 2007, situata a Philadelphia in Pennsylvania e finanziata da imprenditori della costa orientale degli Stati Uniti.”

    L’azienda si occupa di ricerca e implementazione di farmaci biologici con proprietà di rigenerazione endogena e riparazione di tessuti.
    Più precisamente, viene introdotto il concetto di epimorfosi.

    L’epimorfosi, o rigenerazione epimorfica, consiste nella capacità di far letteralmente ricrescere parte di un tessuto partendo da uno “indifferenziato” e facendolo proliferare fino al raggiungimento della giusta dimensione; vale a dire, come spiega Ira, che “le cellule potrebbero essere in grado di cancellare la loro storia precedente per trasformarsi nella parte mancante.”

    “Il programma di ricerca che viene svolto all’interno della Bioquark” continua a spiegare Ira “è focalizzato sullo studio del genoma di esseri viventi che possiedono la capacità di poter riparare e rigenerare intere sezioni di cervello e del tronco cerebrale, partendo anche da gravi traumi. Si parla di anfibi, rettili, pesci e piccoli mammiferi.”

     

    Bioquark production
    Bioquark production.
    ©Bioquark

    In particolare, è risaputo che gli anfibi siano degli animali con alte capacità di rigenerazione: possono infatti far rinascere non solo arti,ma anche spina dorsale, fegato e parti di cervello.

    Persino nell’essere umano e nei mammiferi si sono verificati fenomeni di ricostruzione tissutale anche se in forma più limitata, sebbene i recenti progressi della medicina abbiano conseguito risultati positivi nella risposta rigenerativa del sistema nervoso centrale.

    I metodi in sperimentazione per poter far fronte a patologie neurologiche comprendono anche l’uso delle cellule staminali, ma non hanno ancora dato i risultati sperati, per diversità di cause come scarsa efficienza dei trapianti, patogenicità o per attività immunitaria insufficiente.
    L’obiettivo dello studio è stato quello di avere come scopo ultimo la capacità di avviare una risposta rigenerativa direttamente dal paziente, cioè utilizzando le suestesse cellule.
    A tal fine è stato studiato come modello animale il pesce zebra, conosciuto per le sue note capacità nel rigenerare tutte le parti del cervello.
    I risultati ottenuti possono essere di grande supporto per capire i “programmi molecolari” che le cellule staminali e quelle progenitrici seguono per poter ricostruire i neuroni persi e capire come poter studiare la biologia del sistema nervoso centrale dei vertebrati.

    Sia nell’uomo che negli altri esseri viventi esiste una caratteristica particolare del sistema nervoso, ovvero la memoria.
    Possiamo immaginare il cervello alla stregua di un computer: prima di cambiarne “i pezzi” di un PC è necessario salvare tutte le informazioni necessarie in una memoria esterna, al fine di non perderli.
    Ma “quali sono le dinamiche della memoria nella rigenerazione del cervello?”, ovvero cosa succede nei piccoli mammiferi che sono in grado di rigenerare i tessuti cerebrali?
    La risposta a questo argomento è ancora sconosciuta,ma è stato ipotizzato che esista una struttura più resistente del cervello che funga da supporto di memorizzazione “backup” durante la rigenerazione.

    Come già accennato, il fine ultimo di queste ricerche sarà quello di creare la possibilità di indurre i tessuti stessi in situ, tramite combinazioni di molecole solubili e/o modelli di rigenerazione, sebbene domande ricorrenti sul “quando sarà possibile far ricrescere un arto” portano a risposte vaghe e che non offrono una risposta sicura.

    La causa per cui rane, uccelli e la maggior parte dei mammiferi siano sprovvisti di questa capacità potrebbe coinvolgere il sistema immunitario, la perdita di geni rigeneratori o la possibilità di creare inibitori per la rigenerazione, ma è ancora tutto in fase di ricerca e approfondimento.

    IL PROGETTO REANIMA

    Recentemente nella famiglia della Bioquark è nato il Progetto ReAnima , che vede il coinvolgimento di numerosi esperti in campo medico e tecnologico, il cui obiettivo comune è la ricerca sulla rigenerazione neuronale e vascolare di soggetti in condizione di “morte cerebrale”.
    La morte cerebrale, definita dal Uniform Determination of Death Act (UDDA) -una legge approvata negli Stati Uniti nel 1981 e adottata dalla maggior parte del Paese per “definire basi complete e di stampo medico per la determinazione della morte in ogni situazione”- viene intesa come una completa e irreversibile perdita delle funzioni cerebrali (incluse attività involontarie).
    Tale definizione viene utilizzata per poter stabilire un paziente clinicamente e legalmente morto, sebbene presenti delle incoerenze: di fatti, alcune parti del cervello possono continuare a vivere mentre altre muoiono. 

    “Ho sempre creduto che il progresso scientifico sia avvenuto seguendo un filo logico, in cui ogni scoperta supporta la prossima, creando una vera e propria via di illuminazione scientifica”
    – Ira S. Pastor

    “Per intraprendere un’iniziativa di tale complessità” spiega Ira “i ricercatori stanno combinando strumenti di medicina rigenerativa (farmaci di rigenerazione della Bioquark, così come le cellule staminali autologhe) con altri dispositivi medici che tipicamente vengono utilizzati per la stimolazione del sistema nervoso centrale in pazienti in coma, come ad esempio la stimolazione del nervo mediano e laser transuranico di IV generazione.”

     

    Researcher-test
    Researcher-test.
    ©Bioquark

    In seguito all’ottenuta approvazione della IRB ( institutional review board – cioè un via libera etico, designato per l’approvazione e il monitoraggio di ricerche che coinvolgono l’essere umano) per i primi 20 progetti che l’azienda ha in serbo “ci auguriamo di incominciare a reclutare più pazienti possibile grazie a questo primo sito” ci racconta lo stesso Ira “stiamo lavorando con enti ospedalieri per identificare famiglie in cui ci sia un ostacolo religioso o medico per la donazione degli organi, che in alternativa possano considerare questo progetto come pura ricerca per il progresso scientifico”.

    High resolution FMRI of the Human Brain.
    High resolution FMRI of the Human Brain.
    ©Bioquark

    “Nel futuro prossimo” continua sempre l’amministratore delegato “ci auguriamo di completare tutti i progetti e di poter pubblicare risultati importanti e significativi ( nei prossimi 2-3 mesi), con cui dare il via ad un secondo protocollo di ricerca, che mirerà alla cura vera e propria di malattie neurodegenerative e condizioni spesso irreversibili, come il coma, l’Alzheimer, il Parkinson, ALS, MS e tanto altro.”

    Cercando di andare oltre il vero significato di irreversibilità, la cui definizione data da Harvard è in vigore dal 1968, si deve pensare che viviamo quasi 50 anni dopo e soprattutto in un’epoca tecnologica completamente diversa; di fatti, oggi si è in grado di far ripartire con successo sia il battito cardiaco che la respirazione.
    Negli Stati Uniti la ricerca sul “cadavere vivente” è in corso da parecchi decenni e sono stati segnalati casi di reversibilità dalla morte cerebrale, soprattutto in soggetti giovani.
    Alleghiamo i link delle pubblicazioni fornitici dallo stesso Ira, il quale commenta questi episodi asserendo che “in questo campo di studio non esiste bianco o nero, ma con le dovute tecnologie è una strada che deve essere percorsa.”

    http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19818943
    http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20492393
    http://jnnp.bmj.com/content/35/1/103.abstract
    http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/7651788

     

    In collaborazione con Raffaele Salvemini

    Ian Burkhart prepares for a training session

    “Nervi nuovi” per uscire dalla paralisi

    La paralisi (totale o parziale) è una condizione del corpo umano che vede la perdita della funzione motoria, dovuta o alla lesione di nervi o ad una patologia del sistema nervoso e delle fibre muscolari.
    Nella maggior parte dei casi è una condizione irreversibile, come nel caso di Ian Burkhart, un ragazzo dell’Ohio rimasto paralizzato in seguito ad un incidente all’età di 19 anni(oggi ventiquattrenne), che gli ha causato la rottura del collo al livello C5 (cioè la quinta vertebra) e quindi l’impossibilità di usufruire di gambe e mani.
    Da oggi, Ian potrà gradualmente riacquistare il controllo degli arti danneggiati, grazie al progresso scientifico in campo medico, considerando questa innovazione come una pietra miliare nell’evoluzione della tecnologia di interfaccia cervello-computer.

    “Questa è stata la domanda da un milione di dollari: vuoi sottoporti ad un intervento cerebrale o qualcosa che non ti possa portare alcun beneficio? Ci sono molti rischi.
    E’ stato un qualcosa su cui ho dovuto pensare molto a lungo, ma dopo aver parlato con tutto il team e le persone coinvolte, sapevo di essere in ottime mani.”

    Ian è stato il primo paziente a sottoporsi a questa novità tecnologica, che consiste nel bypassare letteralmente il midollo spinale danneggiato, per poter mandare impulsi agli arti in disuso.
    Nella corteccia motoria è stato impiantato, dai chirurghi, un piccolissimo chip in grado di prelevare i segnali elettrici che controllano i movimenti della mano.
    I segnali vengono poi convertiti da un computer in base a ciò che Ian pensa di voler fare e inviati ai 130 elettrodi posti sul suo avambraccio, in un apposito manicotto.
    Gli elettrodi, attraverso la pelle, inviano i segnali ai muscoli sottostanti, permettendone così l’attività motoria, sintonizzati su ciò che Ian desidera fare.

    come funzionano i “nuovi” nervi?

    Come funziona il bypass
    Come funziona il bypass.
    www.dailynew.co.uk

    Nonostante i segnali del movimento (dal cervello al braccio) siano letteralmente bloccati per via della rottura del canale di passaggio delle informazioni (le vertebre), i nervi del braccio sono, di fatto, intatti e funzionanti. L’impianto nella corteccia motoria(1) invia i segnali attraverso una “via esterna”, che, tramite un cavo(2), collega Ian ad un computer, il quale impara letteralmente ad interpretare i desideri e i
    potenziali movimenti.

    I segnali elaborati dal computer vengono successivamente inviati ai 130
    elettrodi(3) posti sul suo avambraccio che, stimolando i muscoli, permettono il movimento(4).

    Impostazione dell'esperimento e modulazione neurale
    Impostazione esperimento e modulazione neurale.
    www.nature.com

    Il risultato dell’intero esperimento non è stato di certo immediato.
    Come spiega lo stesso Ian, è stato investito tantissimo tempo per poter capire come mettere in pratica banali azioni che si compiono quotidianamente, come ad esempio il solo pensare di muovere un dito e farlo.
    Dopo estenuanti sedute di pratica che lo hanno portato a padroneggiare sempre di più i “nuovi nervi” , Ian rinomina questa esperienza come “una seconda natura”.

    “Il sogno più grande sarebbe quello di riavere indietro l’uso di entrambe le mani, perché questo mi renderebbe molto più indipendente e mi permetterebbe di non far affidamento su
    persone per attività che, giorno per giorno, si prendono per scontate.”

    Al momento gli scienziati stanno lavorando per poter portare questa tecnologia al di fuori dell’ambito ospedaliero e di laboratorio, cercando di arrivare ad una tecnologia wireless, in modo da poter far avverare non solo il desiderio di Ian, ma di migliorare la vita di tantissimi pazienti paralitici.


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