A estimulação cerebral profunda, por meio de eletrodos implantados que fornecem pulsos elétricos ao cérebro, é frequentemente usada para tratar a doença de Parkinson e outros distúrbios neurológicos. Porém, os eletrodos utilizados para este tratamento podem eventualmente corroer e acumular tecido cicatricial, exigindo sua remoção.

Os pesquisadores do MIT desenvolveram agora uma abordagem alternativa que usa ultrassom em vez de eletricidade para realizar estimulação cerebral profunda, fornecida por uma fibra com a espessura de um fio de cabelo humano. Num estudo com ratos, mostraram que esta estimulação pode desencadear a libertação de dopamina pelos neurônios, numa parte do cérebro que é frequentemente alvo de pacientes com doença de Parkinson.

“Ao usar a ultrassonografia, podemos criar uma nova maneira de estimular o disparo de neurônios nas profundezas do cérebro”, diz Canan Dagdeviren, professor associado do MIT Media Lab e autor sênior do novo estudo. “Este dispositivo é mais fino que uma fibra capilar, portanto haverá danos insignificantes nos tecidos e é fácil para nós navegar por este dispositivo nas profundezas do cérebro.”

Além de oferecer uma forma potencialmente mais segura de fornecer estimulação cerebral profunda, esta abordagem também pode tornar-se uma ferramenta valiosa para investigadores que procuram aprender mais sobre como o cérebro funciona.

O estudante de pós-graduação do MIT, Jason Hou, e o pós-doutorado do MIT, Md Osman Goni Nayeem, são os principais autores do artigo, juntamente com colaboradores do Instituto McGovern de Pesquisa do Cérebro do MIT, da Universidade de Boston e do Caltech. O estudo aparece hoje na Nature Communications .

O laboratório de Dagdeviren já desenvolveu dispositivos de ultrassom vestíveis que podem ser usados para administrar medicamentos através da pele ou realizar imagens de diagnóstico em vários órgãos. No entanto, o ultrassom não consegue penetrar profundamente no cérebro a partir de um dispositivo conectado à cabeça ou ao crânio.

“Se quisermos entrar no cérebro profundo, então ele não pode mais ser apenas usável ou acoplável. Tem que ser implantável”, diz Dagdeviren. “Personalizamos cuidadosamente o dispositivo para que seja minimamente invasivo e evite os principais vasos sanguíneos na parte profunda do cérebro.”

A estimulação cerebral profunda com impulsos elétricos é aprovada pela FDA para tratar os sintomas da doença de Parkinson. Essa abordagem usa eletrodos com milímetros de espessura para ativar células produtoras de dopamina em uma região do cérebro chamada substância negra. No entanto, uma vez implantados no cérebro, os dispositivos eventualmente começam a corroer e o tecido cicatricial que se acumula ao redor do implante pode interferir nos impulsos elétricos.

A equipe do MIT decidiu ver se conseguiria superar algumas dessas desvantagens substituindo a estimulação elétrica pelo ultrassom. A maioria dos neurônios possui canais iônicos que respondem à estimulação mecânica, como as vibrações das ondas sonoras, de modo que o ultrassom pode ser usado para provocar atividade nessas células. No entanto, as tecnologias existentes para fornecer ultrassom ao cérebro através do crânio não conseguem atingir as profundezas do cérebro com alta precisão porque o próprio crânio pode interferir nas ondas de ultrassom e causar estimulação fora do alvo.

“Para modular com precisão os neurônios, precisamos ir mais fundo, o que nos leva a projetar um novo tipo de implante baseado em ultrassom que produza campos de ultrassom localizados”, diz Nayeem. Para alcançar com segurança essas regiões profundas do cérebro, os pesquisadores desenvolveram uma fibra da espessura de um fio de cabelo feita de um polímero flexível. A ponta da fibra contém um transdutor de ultrassom semelhante a um tambor com uma membrana vibratória. Quando esta membrana, que encapsula uma fina película piezoelétrica, é acionada por uma pequena voltagem elétrica, ela gera ondas ultrassônicas que podem ser detectadas pelas células próximas.

“É seguro para tecidos, não há superfície exposta do eletrodo e tem potência muito baixa, o que é um bom presságio para a tradução para uso do paciente”, diz Hou.

Em testes em ratos, os pesquisadores mostraram que esse aparelho de ultrassom, que chamam de ImPULS (Estimulador de Ultrassom Piezoelétrico Implantável), pode provocar atividade em neurônios do hipocampo. Então, eles implantaram as fibras na substância negra produtora de dopamina e mostraram que poderiam estimular os neurônios do corpo estriado dorsal a produzir dopamina.

“A estimulação cerebral tem sido um dos métodos mais eficazes, embora menos compreendidos, usados para restaurar a saúde do cérebro. ImPULS nos dá a capacidade de estimular células cerebrais com excelente resolução espaço-temporal e de uma maneira que não produz o tipo de dano ou inflamação que outros métodos. Ver sua eficácia em áreas como o hipocampo abriu uma maneira totalmente nova de fornecer estimulação precisa a circuitos direcionados no cérebro”, diz Steve Ramirez, professor assistente de ciências psicológicas e do cérebro na Universidade de Boston e membro do corpo docente do Centro da BU. para Neurociência de Sistemas, que também é autor do estudo.

Todos os componentes do dispositivo são biocompatíveis, incluindo a camada piezoelétrica, que é feita de uma nova cerâmica chamada niobato de sódio e potássio, ou KNN. A versão atual do implante é alimentada por uma fonte de energia externa, mas os pesquisadores preveem que versões futuras poderiam ser alimentadas por uma pequena bateria implantável e uma unidade eletrônica.

Os pesquisadores desenvolveram um processo de microfabricação que permite alterar facilmente o comprimento e a espessura da fibra, bem como a frequência das ondas sonoras produzidas pelo transdutor piezoelétrico. Isso poderia permitir que os dispositivos fossem personalizados para diferentes regiões do cérebro.

“Não podemos dizer que o dispositivo terá o mesmo efeito em todas as regiões do cérebro, mas podemos dizer com facilidade e muita confiança que a tecnologia é escalável, e não apenas para ratos. Também podemos torná-lo maior para eventual uso em humanos”, diz Dagdeviren.

Os pesquisadores agora planejam investigar como a estimulação ultrassônica pode afetar diferentes regiões do cérebro e se os dispositivos podem permanecer funcionais quando implantados por um ano. Eles também estão interessados na possibilidade de incorporar um canal microfluídico, que poderia permitir ao dispositivo administrar medicamentos e também ultrassom.

Além de ser promissor como um potencial terapêutico para o Parkinson ou outras doenças, este tipo de dispositivo de ultrassom também pode ser uma ferramenta valiosa para ajudar os pesquisadores a aprender mais sobre o cérebro, dizem os pesquisadores.

“Nosso objetivo é fornecer isso como uma ferramenta de pesquisa para a comunidade neurocientífica, porque acreditamos que não temos ferramentas eficazes suficientes para compreender o cérebro”, diz Dagdeviren. “Como engenheiros de dispositivos, estamos tentando fornecer novas ferramentas para que possamos aprender mais sobre as diferentes regiões do cérebro.”

A pesquisa foi financiada pelo MIT Media Lab Consortium e pelo NARSAD Young Investigator Award do Brain and Behavior Foundation Research (BBRF).