La neuromodulación comprende una variedad de enfoques terapéuticos para aliviar los síntomas, como el dolor o los temblores, o para restaurar el movimiento o la función. La estimulación terapéutica de las neuronas con energía eléctrica o sustancias químicas, y potencialmente con ondas acústicas, puede amplificar o amortiguar los impulsos neuronales en el cerebro o el cuerpo. 

Las señales acústicas en forma de ultrasonido ofrecen una clase prometedora de neuromodulación que sería un enfoque especialmente valioso porque no es invasivo: no se requiere ningún procedimiento quirúrgico para implantar electrodos para la estimulación. El ultrasonido ofrece una modulación temporal que se puede ajustar para obtener el efecto deseado. Ahora los investigadores han demostrado que tiene el potencial de dirigirse a neuronas con funciones específicas.

Un equipo dirigido por Bin He, Ph.D., profesor de ingeniería biomédica en la Universidad Carnegie Mellon, y financiado en parte por el Instituto Nacional de Bioingeniería e Imágenes Biomédicas (NIBIB), ha demostrado el potencial de un enfoque de neuromodulación que utiliza bajos niveles de energía de ultrasonido de intensidad, llamada ultrasonido focalizado transcraneal o tFUS. En un artículo publicado en la edición del 4 de mayo de 2021 de Nature Communications, los autores describen tFUS en experimentos con roedores que demuestran la alternativa de neuromodulación no invasiva.

«La ecografía focalizada transcraneal es un enfoque prometedor que podría usarse para tratar formas de dolor crónico, entre otras aplicaciones», dijo Moria Bittmann, Ph.D., directora del programa NIBIB en Biorobotic Systems. 

«En condiciones donde los síntomas incluyen dolor debilitante, los impulsos de ultrasonido generados externamente a frecuencias e intensidad controladas podrían inhibir las señales de dolor», apuntó.

Para sus estudios, él y su equipo diseñaron un conjunto que incluía un transductor de ultrasonido y un dispositivo que registra datos de señales neuronales, llamado matriz de electrodos múltiples. Durante los experimentos con roedores anestesiados, los investigadores penetraron el cráneo y el cerebro con varios pulsos breves de ondas acústicas , dirigidos a neuronas específicas de la corteza cerebral. Simultáneamente registraron el cambio en las señales electrofisiológicas de diferentes tipos de neuronas con la matriz de electrodos múltiples.

Cuando se envía una señal de una neurona a otra, ya sea activando los sentidos o controlando el movimiento, el disparo de esa señal a través de la sinapsis, o unión, entre neuronas se denomina pico. Dos tipos de neuronas observadas por los investigadores son las neuronas excitadoras e inhibidoras. Cuando los investigadores usaron tFUS para emitir ráfagas repetidas de estimulación por ultrasonido directamente en las neuronas excitadoras, observaron una tasa de impulso elevada o pico. 

Observaron que las neuronas inhibidoras sometidas a la misma energía de tFUS no mostraban una alteración significativa de la tasa de picos. El estudio demostró que la señal de ultrasonido se puede transmitir a través del cráneo para activar selectivamente subpoblaciones de neuronas específicas, de hecho dirigidas a neuronas con diferentes funciones.

«Nuestra investigación aborda una necesidad insatisfecha de desarrollar terapias no tóxicas, no adictivas y no farmacológicas para uso humano«, dijo He agregando que «esperamos desarrollar aún más el enfoque tFUS con variación en las frecuencias de ultrasonido y buscar información sobre la actividad neuronal para que esta tecnología tenga la oportunidad óptima de beneficiar la salud del cerebro».

La aplicación de esta investigación tiene amplias implicaciones; no se limita a una sola enfermedad. Para muchas personas que sufren de dolor, depresión y adicción, cree que la neuromodulación tFUS no invasiva podría usarse para facilitar el tratamiento. «Si podemos localizar y apuntar a áreas del cerebro utilizando energía acústica y de ultrasonido, creo que potencialmente podemos tratar una gran cantidad de enfermedades y afecciones neurológicas y psiquiátricas», dijo.

Los editores de Nature Communications también seleccionaron el artículo para un artículo especial, llamado «Del cerebro al comportamiento«, que comprende algunos de los trabajos más emocionantes sobre el cerebro publicados este año por la revista.