Ultrasonido Focalizado: Una Nueva Estrategia Estimulante para Tratar las Lesiones Cerebrales Grave

Artículo original: Focused Ultrasound: A Stimulating New Strategy To Treat Severe Brain Damage, Joshua Cain

Traducido por Valia Gregory

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Al año de comenzar mi formación doctoral en UCLA, escapo del bullicio y ajetreo del Hospital Ronald Reagan al mediodía, para ir a una habitación limpia y tranquila en la unidad de cuidados intensivos. Al fin, solo. ¿O no

De hecho, con la tarea de evaluar al paciente aparentemente comatoso que yace frente a mí, eso es exactamente lo que estoy allí para determinar. La evaluación del comportamiento de los pacientes que se recuperan de una lesión cerebral grave es un arte sutil que puede llevar años para dominar. El grado de consciencia residual detrás de los ojos de un paciente, a veces bien abiertos, a veces permanentemente cerrados, puede ser difícil de determinar debido a cualquier número de deficiencias específicas, como el movimiento alterado, la ceguera, o la sordera. El movimiento consistente de un dedo, un parpadeo en el momento adecuado, o una expresión leve pueden revelar una vida interna muy real y potencialmente rica. Es inquietante que la tasa de diagnósticos erróneos debido a una evaluación conductual descuidada sea tan común. Además, incluso el observador más experimentado podría no detectar la consciencia en pacientes cuyas lesiones cortan las vías motoras e impiden el movimiento por completo. Los avances recientes de técnicas neuroimagenológicas para ver el cerebro y su actividad han revelado que quizás entre el 10 y el 30% de los pacientes que permanecen completamente inconscientes meses después de la lesión están encubiertamente conscientes, una condición aterradora conocida como síndrome de enclaustramiento.

Teniendo las dificultades de la evaluación del comportamiento en cuenta, comienzo metódicamente el ritual con mi paciente, Christopher (seudónimo). Aplaudo fuerte y abruptamente justo detrás de la cabeza del paciente. Sus ojos revolotean ligeramente, diciéndome que algún procesamiento auditivo aún rige. Una vez que tengo el paciente tanteado, paso a comportamientos más complejos. Ordeno en voz alta: “¡¡Christopher, levanta la pierna izquierda!!”

Espero 10 segundos. Nada. Sonrío y saludo a una enfermera a través de la ventana que siente curiosidad por saber por qué le grito a su paciente. “¡Chris, levanta la pierna izquierda!”  Pasan tres segundos y la pierna izquierda de Christopher se mueve … muy levemente. “¡¡Más alta!!”  La pierna está quieta. Bueno, creo que podría haber sido por casualidad. Los pacientes a menudo se mueven de forma reflexiva y se tensan por el ruido. “¡¡De nuevo, Chris, levanta la pierna izquierda!!”  Se eleva ligeramente y luego cae. Con mi atención completamente sobre la pierna, vuelvo a exclamar: “¡¡Una vez más, Chris, levanta la pierna izquierda !!”  Se eleva ligeramente. “¡¡Más alta!!”  La pierna se eleva unos quince centímetros por encima de la cama del hospital y luego, exhausta, cae. Ya no estoy solo.

Había evaluado a Christopher antes, pero nunca lo había visto responder a una orden como esta. Este sorprendente cambio en la capacidad de respuesta fue particularmente importante, ya que se produjo un día después de que Christopher recibió un nuevo tratamiento experimental para los síntomas de los trastornos de la consciencia. Los trastornos de la consciencia son una serie de condiciones que incluyen un coma, el estado vegetativo y el estado de consciencia mínima (un estado en el que los pacientes están conscientes, aunque tal vez de forma alterada o reducida). El nuevo tratamiento se conoce como pulsación talámica de ultrasonido focalizado de baja intensidad, concepto desarrollado por el equipo de la ciencia del coma compuesto por Martin M. Monti y Caroline Schnakers. Como la mayoría de los que estudian trastornos de la consciencia, nuestro trabajo es una mezcla de ciencia básica y la aplicación de esa ciencia a nuevos tratamientos clínicos. Esto es fundamental porque, tal y como está, no existen tratamientos satisfactorios para promover la recuperación en cientos de miles de estos pacientes (3, 4) que pueden requerir cuidados intensivos de por vida. En las últimas décadas, la ciencia de los trastornos de la consciencia se ha expandido con el resto de la neurociencia; sin embargo, no necesariamente han nacido nuevos tratamientos para los pacientes. La pulsación de ultrasonido focalizado de baja intensidad, con su capacidad única de apuntar con precisión a estructuras en cualquier parte del cerebro sin cirugía, puede ayudarnos a emplear la ciencia mejorada al tratamiento de estas devastadoras condiciones de trastornos de la consciencia.

“La pulsación de ultrasonido focalizado de baja intensidad puede ayudarnos a emplear la ciencia mejorada al tratamiento de estas devastadoras condiciones de trastornos de la consciencia”

 

¿Qué es la pulsación de ultrasonido focalizado de baja intensidad?

El ultrasonido es un sonido de alta frecuencia que se ha utilizado desde la década de 1950 para producir imágenes médicas y probablemente se usó para tomar la primera fotografía de la matriz. Aunque las imágenes por ultrasonido son un concepto familiar, mucha gente no sabe que el mismo ultrasonido puede funcionar como neuromodulador; en otras palabras, el paso del ultrasonido a través del tejido neural puede aumentar o disminuir la actividad de las neuronas dentro de él. No está claro exactamente cómo funciona la neuromodulación con ultrasonido, pero es probable que sea el resultado de la “sacudida” física de las neuronas por ondas de sonido ultrasónicas. Esta vibración podría abrir físicamente los canales iónicos o crear pequeñas burbujas que pueden alterar las propiedades eléctricas de las membranas neuronales. Mientras todavía debatimos exactamente cómo la pulsación de ultrasonido focalizado de baja intensidad funciona como un neuromodulador, el hecho de que puede funcionar ya no es cuestión de debate. La pulsación de ultrasonido focalizado de baja intensidad se ha utilizado para, por ejemplo, provocar patadas en ratas cuando se dirige a la corteza motora, cambiar el rendimiento cognitivo de los macacos que realizan tareas cognitivas cuando se dirige al lóbulo frontal y acelerar la recuperación de los efectos de la anestesia en ratas cuando se dirige al tálamo. En los últimos cinco años, un resurgimiento en la investigación de la pulsación de ultrasonido focalizado de baja intensidad la ha visto utilizada en seres humanos. Por ejemplo, grupos coreanos han usado la pulsación de ultrasonido focalizado de baja intensidad para provocar alucinaciones visuales y táctiles (7 , 8), mientras que los investigadores de la Universidad Médica de Carolina del Sur han usado el ultrasonido focalizado talámico para reducir el dolor en humanos sanos 9.

“No está claro exactamente cómo funciona la neuromodulación con ultrasonido, pero es probable que sea el resultado de la «sacudida» física de las neuronas por ondas de sonido ultrasónicas”

Una diferencia principal entre las imágenes por ultrasonido en general y la pulsación de ultrasonido focalizado de baja intensidad es que en este último caso se aplica a una región del cerebro muy específica. Es como una lupa que puede enfocar la luz del sol en un cono para calentar un área pequeña. De manera similar, el ultrasonido focalizado puede cambiar la actividad neuronal en solo una pequeña región sin afectar significativamente el tejido adyacente; en algunos casos, incluso a solo unos milímetros de distancia. Esta precisión está un paso por encima de otras tecnologías neuromoduladoras más establecidas, como la estimulación magnética transcraneal y la estimulación eléctrica transcraneal. Estas técnicas más antiguas, en el mejor de los casos, tienen una precisión de varios centímetros. Es importante destacar que la pulsación de ultrasonido focalizado de baja intensidad también puede alcanzar estructuras cerebrales muy profundas, lejos del rango de la estimulación magnética transcraneal y la estimulación eléctrica transcraneal. Estas son las razones por las que el laboratorio de Martin Monti en UCLA eligió usar la pulsación de ultrasonido focalizado de baja intensidad para tratar los trastornos de la consciencia clínicamente por primera vez: la precisión y la capacidad de focalización profunda de esta tecnología son perfectas para manipular los pequeños núcleos cerebrales profundos que se asocian consistentemente con estos trastornos.

 

¿Por qué el Tálamo?

Si colocamos un dedo justo encima de la oreja, de manera que apunte al centro del cráneo, estaremos apuntando al tálamo. El tálamo, una estructura compuesta de varios núcleos pequeños, se encuentra precisamente en el centro del cerebro, y tiene el tamaño y la forma de los dos pulgares colocados uno al lado del otro. Aunque alguna vez fue una estructura algo ignorada, la neurociencia cognitiva de las últimas dos décadas ha sugerido que la centralidad física del tálamo en el cerebro refleja su papel central en la regulación tanto de la consciencia como de la cognición. El tálamo recibe una gran cantidad de impulsos provenientes de las estructuras que regulan la consciencia en el bulbo raquídeo, el mesencéfalo, así como el prosencéfalo basal, y probablemente desempeña un papel en la distribución de esas señales hacia el resto del cerebro para activar selectivamente regiones específicas. Además, puede que organice la comunicación en la corteza, seleccionando qué regiones corticales participan en las redes a gran escala que se forman durante tareas cognitivas complejas como la matemática mental.

“El tálamo, una estructura compuesta de varios núcleos pequeños, se encuentra precisamente en el centro del cerebro, y tiene el tamaño y la forma de los dos pulgares colocados uno al lado del otro.”

Dado el papel del tálamo en la consciencia y el funcionamiento cognitivo, no es sorprendente que el daño a esta estructura esté asociado con los trastornos de la consciencia, en los que ambas capacidades a menudo se ven afectadas. La resonancia magnética de los pacientes con trastornos de la consciencia muestra que el daño talámico es mayor en los pacientes que responden menos, así como en aquellos que se recuperan más lentamente (o no se recuperan en absoluto)11. Hallazgos como este se han utilizado para sugerir que el daño al tálamo en los trastornos de la consciencia podría reducir la excitación en la corteza y no permitir la formación de redes corticales a gran escala, previniendo así la consciencia, que parece requerir ambos. Nuestro grupo de investigación espera que la estimulación de esta estructura crucial con la pulsación de ultrasonido focalizado de baja intensidad pueda ayudar a restaurar el funcionamiento cortical adecuado en estos trastornos y promover la recuperación en algunos pacientes. Esta idea no es nueva.  Se ha demostrado que la estimulación cerebral profunda directa del tálamo central utilizando electrodos metálicos, un enfoque más clásico, despierta a los monos macacos de la anestesia y ha inducido de manera convincente la recuperación en un paciente mínimamente consciente. (12,13). Sin embargo, los riesgos inherentes a la cirugía utilizada para implantar los electrodos son demasiado grandes para muchos de los pacientes con trastornos de la consciencia que esperan nuevas opciones de tratamiento. Esperamos utilizar la tecnología emergente de la pulsación de ultrasonido focalizado de baja intensidad para estimular el tálamo central sin tener que levantar un bisturí.

 

Resultados y Próximos Planes

Hasta ahora, los resultados son prometedores. Si bien las dificultades prácticas de trabajar con pacientes con trastornos de la consciencia han dificultado un estudio grande y controlado en este momento, muchos de los pacientes que hemos incluido se han recuperado más rápidamente de lo que esperaríamos solo por casualidad. Estos hallazgos son quizás más convincentes en nuestros pacientes con trastornos de la consciencia «crónica», que han persistido en este estado durante más de un año y, por lo tanto, es muy poco probable que se recuperen espontáneamente en las semanas que los observamos de cerca. Sorprendentemente, el primero de estos pacientes crónicos que recibió la pulsación talámica de ultrasonido focalizado de baja intensidad demostró por primera vez  la capacidad de comunicarse con precisión utilizando un sistema de sí/no. De acuerdo con las pautas clínicas, esto significa que había salido de su trastorno de la consciencia. Desafortunadamente, este paciente eventualmente volvió a recaer. Sin embargo, incluso esta aparición temporal fue muy apreciada para quienes lo conocieron: la esposa de este paciente comentó que “Esta fue la primera vez en más de un año que pude hablar con mi esposo”.

Resultados como estos sugieren que la pulsación talámica de ultrasonido focalizado de baja intensidad puede eventualmente ser visto como un tratamiento efectivo para algunos pacientes con trastornos de la consciencia; un nuevo tratamiento flexible, que al no requerir de cirugía, es de bajo riesgo para estos pacientes que lo necesitan tan desesperadamente.

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Escrito por Joshua Cain
Editado por Rajamani Selvam, Nerissa Culi y Alexa Erdogan
Ilustrado por Sumana Shreshta
Traducido por Valia Gregory

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¿Conoces a alguien que sufra de trastornos de la consciencia? Cuéntenos más en los comentarios abajo!

Obtenga más información sobre el uso de la estimulación cerebral en los trastornos de la consciencia en esta entrevista reciente a Martin Monti en UCLA.

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Focused Ultrasound

Referencias
  • Schnakers, C. et al.Diagnostic accuracy of the vegetative and minimally conscious state: Clinical consensus versus standardized neurobehavioral assessment. BMC Neurology9, 35 (2009).
  • Monti, M. M. et al.Willful Modulation of Brain Activity in Disorders of Consciousness. New England Journal of Medicine362, 579–589 (2010).
  • Schnakers, C. & Monti, M. M. Disorders of consciousness after severe brain injury: therapeutic options. Current Opinion in Neurology 30, 573–579 (2017).
  • Pisa, F. E., Biasutti, E., Drigo, D. & Barbone, F. The prevalence of vegetative and minimally conscious states: a systematic review and methodological appraisal. J Head Trauma Rehabil29, E23-30 (2014).
  • Blackmore, J., Shrivastava, S., Sallet, J., Butler, C. R. & Cleveland, R. O. Ultrasound Neuromodulation: A Review of Results, Mechanisms and Safety. Ultrasound in Medicine & Biology45, 1509–1536 (2019).
  • Bystritsky, A. & Korb, A. S. A Review of Low-Intensity Transcranial Focused Ultrasound for Clinical Applications. Curr Behav Neurosci Rep2, 60–66 (2015).
  • Lee, W. et al.Transcranial focused ultrasound stimulation of human primary visual cortex. Scientific Reports 6, 34026 (2016).
  • Lee, W. et al.Image-Guided Transcranial Focused Ultrasound Stimulates Human Primary Somatosensory Cortex. Sci Rep5, (2015).
  • Badran, B. W. et al.Sonication of the Anterior Thalamus with MRI-Guided Low Intensity Focused Ultrasound Pulsation (LIFUP) Changes Pain Thresholds in Healthy Adults: A Double-Blind, Concurrent LIFUP/MRI Study. http://medrxiv.org/lookup/doi/10.1101/2020.04.08.20042853 (2020) doi:10.1101/2020.04.08.20042853.
  • Lutkenhoff, E. S. et al.Thalamic atrophy in antero-medial and dorsal nuclei correlates with six-month outcome after severe brain injury. Neuroimage Clin3, 396–404 (2013).
  • Lutkenhoff, E. S. et al.Thalamic and extrathalamic mechanisms of consciousness after severe brain injury. Annals of Neurology 78, 68–76 (2015).
  • Schiff, N. D. Central thalamic contributions to arousal regulation and neurological disorders of consciousness.  N. Y. Acad. Sci.1129, 105–118 (2008).
  • Redinbaugh, M. J. et al.Central thalamus modulates consciousness by controlling layer-specific cortical interactions. bioRxiv776591 (2019) doi:10.1101/776591.
  • Monti, M. M., Schnakers, C., Korb, A. S., Bystritsky, A. & Vespa, P. M. Non-Invasive Ultrasonic Thalamic Stimulation in Disorders of Consciousness after Severe Brain Injury: A First-in-Man Report. Brain Stimulation9, 940–941 (2016).
Autor(es)

Joshua Cain

Josh es un estudiante de doctorado en el laboratorio de Martin Monti en UCLA. Aquí, Josh se ha centrado en estudiar la consciencia y el funcionamiento cognitivo. Lo ha hecho principalmente combinando la neuromodulación (con ultrasonido) con técnicas de neuroimagenología como el electroencefalograma y la resonancia magnética funcional. Como la mayoría de las personas en el laboratorio de Martin Monti, trabaja frecuentemente con pacientes con trastornos de la consciencia, como el coma, para comprender mejor cómo surge la consciencia en cerebros sanos y, a veces, desaparece cuando el cerebro está lesionado.  Al mismo tiempo, trabaja con nuevos métodos que podrían tratar mejor estas condiciones. También trabaja para comprender cómo el funcionamiento cognitivo (por ejemplo, hacer cálculos mentales o prestar atención) difiere e interactúa con nuestra noción de consciencia.

 

Author(s)

  • Josh is a Ph.D. student in the lab of Martin Monti at UCLA. Here, Josh has focused on studying consciousness and cognitive functioning. He has done so primarily by combining neuromodulation (with ultrasound) with neuroimaging techniques like EEG and fMRI. Like most in the Montilab, he frequently works with patients in disorders of consciousness, such as coma, to better understand how consciousness arises in healthy brains and sometimes disappears when the brain is damaged. At the same time, he works on new methods that might better treat these conditions. He also works on understanding how cognitive functioning (e.g. doing mental math, paying attention) differs from and interacts with our notion of consciousness.

Joshua Cain

Josh is a Ph.D. student in the lab of Martin Monti at UCLA. Here, Josh has focused on studying consciousness and cognitive functioning. He has done so primarily by combining neuromodulation (with ultrasound) with neuroimaging techniques like EEG and fMRI. Like most in the Montilab, he frequently works with patients in disorders of consciousness, such as coma, to better understand how consciousness arises in healthy brains and sometimes disappears when the brain is damaged. At the same time, he works on new methods that might better treat these conditions. He also works on understanding how cognitive functioning (e.g. doing mental math, paying attention) differs from and interacts with our notion of consciousness.

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