Rdzeń kręgowy jest kluczowym węzłem integracji informacji między ośrodkowym i obwodowym układem nerwowym, co czyni go cennym dla badań klinicznych w obszarach takich jak transdukcja sygnału bólu, rekonstrukcja ruchowych sieci neuronowych i regulacja neuroplastyczności. Skoncentrowane ultradźwięki (FUS), nowa nieinwazyjna technologia neuromodulacji, stała się ważnym sposobem regulacji neuronalnej rdzenia kręgowego. Dzięki fizycznym cechom głębokiej penetracji tkanek, rozdzielczości przestrzennej na poziomie milimetra i kontrolowanym parametrom wyjściowym energii, jego zastosowanie rozciąga się od podstawowych badań nad mechanizmami neurologicznymi po przedkliniczne badania translacyjne różnych modeli patologicznych rdzenia kręgowego.
Badania pokazują, że FUS może regulować obwody nerwowe rdzenia kręgowego na dwa sposoby: poprzez hamowanie lub aktywację ich poprzez efekty termiczne i mechaniczne. Charakteryzuje się również odwracalnością czasową i bezpieczeństwem dla tkanek 1,2,3. W badaniu modeli urazów rdzenia kręgowego, FUS poprawił zdolności motoryczne szczurów poprzez modulowanie reakcji zapalnych i promowanie naprawy neuronów 4,5,6. Ponadto wykazano, że FUS otwiera barierę krew-rdzeń kręgowy i zwiększa skuteczność miejscowego dostarczania leków poprzez efekt kawitacji za pośrednictwem mikropęcherzyków 7,8. W dziedzinie bólu neuropatycznego Liao i wsp. potwierdzili, że FUS skutecznie łagodzi objawy bólu neuropatycznego u szczurów poprzez regulację ekspresji KCC2 i hamowanie szlaku CaMKIV KCC29. Song i wsp. wykazali, że tsFUS o niskiej intensywności stosowany w lędźwiowym rdzeniu kręgowym znacznie zmniejszał allodynię mechaniczną i hamował aktywację mikrogleju w modelu przewlekłego zwężenia u szczura10. Osiągnięcie precyzyjnej modulacji rdzenia kręgowego za pomocą FUS zależy od stabilności przestrzennej systemu dostarczania energii ultradźwiękowej. Obecne strategie fiksacji dzielą się głównie na dwie kategorie: 1) Metoda fiksacji sztywnej: Osiąga precyzyjne pozycjonowanie za pomocą ramy stereotaktycznej, ale wymaga ciągłego znieczulenia, które tłumi aktywność neuronalną badanych eksperymentalnych i wpływa na trafność ocen behawioralnych 1,2,3,4,10 ; 2) Elastyczna metoda mocowania: Pozwala na prowadzenie badań na osobach przytomnych za pomocą urządzenia z paskiem elastycznym, ale ze względu na dużą ruchomość kręgosłupa występują błędy przemieszczenia i odklejenia przetwornika 6,8,9. Ponadto niejednorodność geometryczna blaszki kręgosłupa prowadzi do znacznego tłumienia energii ultradźwięków, zmniejszając skuteczność modulacji neuronalnej 7,8.
W badaniu tym w innowacyjny sposób zaproponowano wszczepialny schemat mocowania zogniskowanej głowicy ultradźwiękowej do badań nad modulacją neuronalną rdzenia kręgowego u świadomych, swobodnie poruszających się myszy. Protokół ten wykorzystuje minimalnie inwazyjne podejście chirurgiczne w celu zintegrowania metalowej podstawy, kolimatora i kręgosłupa, wspiera wielokrotne noszenie przetwornika ultradźwiękowego, zapewnia spójność celu ultradźwiękowego i utrzymuje tłumienie energii ultradźwiękowej przez blaszkę w akceptowalnym zakresie. Opracowana metodologia rozwiązuje krytyczne ograniczenia istniejących podejść, umożliwiając w ten sposób bardziej wiarygodne i powtarzalne eksperymenty z neuromodulacją rdzenia kręgowego u przytomnych, zachowujących się zwierząt. Kluczowe parametry to nacięcie w linii środkowej o długości 2,5 cm w T13, mocowanie metalowej podstawy ze stali nierdzewnej oraz stosunek objętości materiału bazowego protezy do kleju cyjanoakrylowego 3:1. Ograniczenia obejmują umiarkowaną inwazyjność chirurgiczną i precyzję w przygotowaniu powierzchni kostnej zależną od operatora.