Ultraschall, der auf das menschliche Gehirn gerichtet ist, verbessert die sensorische Wahrnehmung

Neue Forschungen in der Kartierung der Konnektivität des Gehirns haben gezeigt, dass kontrollierte Ultraschalllieferungen die sensorische Wahrnehmung bei Testpersonen verbessern können.

Ultraschall - Echoakustische Frequenzen, die für das menschliche Ohr nicht wahrnehmbar sind - ist für einige Tiere, einschließlich Fledermäuse und Wale, bereits ein gängiges Orientierungsinstrument. Bereits 1929 hatten Experimente gezeigt, dass Ultraschall die Nerven, Muskeln und Augen von Fröschen und Schildkröten beeinflusst.

Nachfolgende Studien mit Katzen, Mäusen, Ratten, Kaninchen und Affen zeigten auch, dass eine kontrollierte Exposition gegenüber Ultraschall Anfälle unterbrechen oder andere kontrollierte Veränderungen der Gehirnfunktion verursachen könnte.

Aber diese neue Studie, durchgeführt von Wissenschaftlern am Virigina Tech Carilion Forschungsinstitut und in der Zeitschrift veröffentlicht Nature Neurologie, zeigt erstmals, dass fokussierter, niedrigintensiver Ultraschall eine positive, messbare Wirkung auf die menschliche Gehirnfunktion haben kann.

Die Forscher fokussierten einen akustischen Ultraschallstrahl auf den Bereich der Großhirnrinde, der für die Verarbeitung von sensorischen Informationen aus der Hand von freiwilligen Probanden verantwortlich ist. Die Wissenschaftler stimulierten dann den Hauptnerv, der durch den Arm lief, indem sie eine Elektrode auf die Handgelenke der Freiwilligen legten.

Die Antworten in den Gehirnen der Freiwilligen wurden mittels Elektroenzephalographie (EEG) gemessen, und zwei traditionelle neurologische Tests wurden verwendet, um zu erfassen, wie genau die Probanden zwischen den Empfindungen von Stiften oder Luftzügen, die die Haut berühren, unterscheiden können.

Überraschende Ergebnisse

Bei der Betrachtung der EEG-Ergebnisse von Probanden, die Ultraschall erhielten, bemerkten die Forscher, dass die Aktivität der Gehirnwellen, die mit der Interpretation von Berührungen verbunden sind, vermindert war. Aber die Ergebnisse der Sensationstests überraschten die Wissenschaftler - die Leistung der Probanden, die dem Ultraschall ausgesetzt waren, war signifikant gestiegen.

Diese Ergebnisse scheinen paradox zu sein - wie könnten die Freiwilligen Unterschiede in taktilen Empfindungen genauer erkennen, wenn die für die Entschlüsselung dieser Empfindungen verantwortlichen Gehirnwellen geschwächt worden wären?

Assistant Professor William "Jamie" Tyler, dessen Team die Studie durchgeführt hat, sagt:

"Wir vermuten, dass die spezielle Ultraschallwellenform, die wir in der Studie verwendet haben, das Gleichgewicht der synaptischen Hemmung und Erregung zwischen benachbarten Neuronen innerhalb der Großhirnrinde verändert.

Wir glauben, dass fokussierter Ultraschall das Gleichgewicht der andauernden Erregungs- und Inhibitionsverarbeitungs-Sinnesreize in der Zielregion des Gehirns verändert hat und dass diese Verschiebung die räumliche Ausbreitung der Erregung in Reaktion auf Stimuli verhinderte, was zu einer funktionalen Verbesserung der Wahrnehmung führte. "

Durch Verschieben des Strahls sogar einen Zentimeter entfernt von der ursprünglichen Zielregion des Gehirns wurde der Effekt beendet. Dies bedeutet, dass der Ultraschallstrahl genau genug war, damit Wissenschaftler bestimmte Bereiche des Gehirns eines Patienten genau lokalisieren und "zwicken" konnten, ohne benachbarte neurale Schaltkreise zu beeinflussen.

Vielversprechende Implikationen für die Neurologie

Die Forscher analysierten die Ergebnisse von 12 Freiwilligen, die sowohl korrekt verabreichtem als auch "scheinendem" Ultraschall ausgesetzt waren (wo die Ausrüstung, die zur Abgabe des akustischen Strahls verwendet wurde, umgedreht wurde, um die Übertragung der Ultraschallenergie auf die Köpfe der Probanden zu verhindern).

Obwohl die Wissenschaftler, die den Ultraschallstrahl ausstrahlten, wussten, welche Freiwilligen den "echten" und "falschen" Ultraschall erhielten, hat der Forscher, der die Ergebnisse verarbeitet, dies nicht getan, um eine Verzerrung des Ergebnisses zu verhindern.

Die verbesserte sensorische Funktion bei den Freiwilligen ist signifikant, denn, wie Tyler sagt: "In den Neurowissenschaften ist es leicht, Dinge zu stören. Wir können dich ablenken, dich taub machen, dich mit optischen Täuschungen täuschen lassen. Es ist einfach, die Dinge noch schlimmer zu machen Es ist schwer, sie besser zu machen. Diese Ergebnisse lassen uns glauben, dass wir auf dem richtigen Weg sind. "

Da wir in der Lage sind, verschiedene neuronale Schaltkreise ohne Operation präzise zu optimieren, können Wissenschaftler neuronale Schaltkreise genauer abbilden und verstehen, wie unser Gehirn funktioniert. Dies könnte bei der Entwicklung von Behandlungen für neurologische Störungen wie Alzheimer helfen.

Ultraschall ist auch sicher. Obwohl Ultraschall mechanisch wirkt, indem er auf Zellmembranen niederdrückt, kann er mit geringer Intensität durch einen menschlichen Schädel fokussiert werden, ohne Gehirngewebe zu schädigen.

Obwohl die Ergebnisse der Studie nicht bedeuten, dass Ultraschall uns die radarähnlichen Sinne von Fledermäusen oder Walen gibt, haben sie vielversprechende Auswirkungen auf die Neurologie.

Mit Magneten (transkranielle Magnetstimulation) oder durch die Verabreichung schwacher elektrischer Ströme (transkranielle Gleichstromstimulation) können Wissenschaftler bereits die Hirnfunktion bei menschlichen Probanden modulieren, aber Ultraschall kann möglicherweise wesentlich genauere Ergebnisse liefern.

"Die Arbeit von Jamie Tyler und seinen Kollegen steht im Mittelpunkt des kommenden Tsunami, neue sichere, aber effektive, nichtinvasive Wege zu entwickeln, um den Informationsfluss in zellulären Schaltkreisen im lebenden menschlichen Gehirn zu modulieren", sagt der Direktor des Instituts, Michael Friedländer.

"Sie bewaffnet die neurowissenschaftliche Gemeinschaft mit einem leistungsfähigen neuen Werkzeug, um die Funktion des gesunden menschlichen Gehirns zu erforschen und uns dabei zu helfen, Kognition, Entscheidungsfindung und Denken zu verstehen", fügt er hinzu.

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