Aivoja stimuloiva laite voi helpottaa masennusta ja kipua
Joskus krooninen kipu tai masennus voi olla niin ankaraa, että lääkitys ei tuo helpotusta.
Nämä sairaudet eivät ehkä ole yleisiä, mutta niitä on olemassa. Ammattiapua saavien potilaiden hoidossa käytetään usein eri hoitojen yhdistelmää. Yksi hoitomenetelmistä on transkraniaalinen magneettistimulaatio (TMS). Hoidossa stimuloidaan aivoalueita magneettipulsseilla pään ulkopuolelta.
Ajatus sähkövirran tuottamisesta aivoihin on pelottava, mutta toimenpide on täysin kivuton. Lääkäri asettaa erityisesti tähän tarkoitukseen suunnitellun kelan potilaan pään päälle. Näin aivoihin saadaan magneettikenttäpulssin avulla sähkökenttä, joka puolestaan tuottaa tietyn aivovasteen. Potilas tuntee vain kevyen naputuksen, aivan kuin sormi koskettaisi päänahkaa toistuvasti.
TMS-hoito kestää 15–30 minuuttia, jonka aikana potilas saa 1 000–3 000 stimulaatiopulssia. Hoidettavasta sairaudesta riippuu, mille tasolle pulssien taajuus säädetään. Taajuus vaikuttaa siihen, nopeutuuko vai hidastuuko hermosolun aktiivisuus.
”Aivot ovat tiedonkäsittelyjärjestelmä, joka tuottaa sähkövirtaa”, sanoo professori Risto Ilmoniemi, joka johtaa Aalto-yliopiston neurotieteen ja lääketieteellisen tekniikan laitosta. ”Jokainen ajatus ja teko luo magneettikentän aivoihin ja niiden ympärille. Yksi ajatus tai teko vastaa noin miljardisosaa maapallon magneettikentästä.”
”Jos aivojen magneettikenttää voidaan mitata ulkopuolelta, fysiikan käänteisperiaate tarkoittaa, että voimme myös vaikuttaa aivoihin ulkopuolelta. Näin voidaan aivan tarkasti määritellä – TMS:n avulla – mitkä aivoalueet ovat mukana erilaisissa toiminnoissa”, Ilmoniemi sanoo.
Sijainti, suunta ja voimakkuus
Transkraniaalinen magneettistimulaatio TMS on ollut käytössä 1980-luvun puolivälistä lähtien, jollointohtori Anthony Barker ja hänen tutkimusryhmänsä loivat maailman ensimmäisen TMS-laitteen Ison-Britannian Sheffieldissä. Sen jälkeen tekniikka on otettu käyttöön eri puolilla maailmaa kroonisen kivun, masennuksen ja useiden muiden neurologisten sairauksien hoidossa.
Nykytekniikalla TMS:n kohdistus on aikaa vievä toimenpide. Potilaalle on ensin tehtävä MRI-kuvaus, jolla aivot kartoitetaan ja stimuloitavat kohdealueet tunnistetaan likimääräisesti. Tämän jälkeen TMS:n käyttäjä joutuu käsin liikuttamaan yksittäistä TMS-kelaa potilaan pään ympärillä ja etsimään optimaalisen sijainnin, suunnan ja voimakkuuden hoitoa varten. Tämä toimenpide on toistettava aina, kun kela siirretään uudelle kohdealueelle.
Hoidon kohdistaminen vie nykyisin paljon aikaa ja vaivaa. Nämä ovat TMS:n haasteita, joihin Aalto-yliopisto pyrkii vastaamaan ConnectToBrain-hankkeella. Euroopan tutkimusneuvoston 10 miljoonan euron avustuksella hanketiimi kehittää uudenlaista TMS-laitetta ja sen käyttämiseen tarvittavia algoritmeja.
Perinteisissä TMS-laitteissa on vain yksi kela, mutta ConnectToBrain -ryhmä on kehittänyt laitteen, joka koostuu useista keloista, minkä ansiosta useita aivojen osia voidaan stimuloida samanaikaisesti. Uudessa TMS-laitteessa on myös aivosähkökäyrätoiminto (electroencephalography, EEG), jotta aivojen sähköisiä vasteita voidaan mitata reaaliaikaisesti.
Suuri osa laitteista ja ohjelmistoista on kehitetty Aalto-yliopistossa, kun taas Italiassa Chieti-Pescaran yliopistossa kehitetään signaalinkäsittely- ja tekoälyteknologiaa, ja Saksassa Tübingenin yliopistossa työskennellään kliinisten sovellusten parissa. Validointikokeita tehdään Helsingin yliopistollisen sairaalan BioMag -laboratoriossa.
Helpotusta Alzheimer- ja aivohalvauspotilaille
ConnectToBrain -hankkeessa on keskitytty Alzheimerin taudin ja aivohalvauksen hoitoon. Kun algoritmit lukevat potilaan aivojen signaaleja reaaliaikaisesti, uusi stimulaattori pystyy nopeasti säätämään aivoja stimuloivan sähkökentän paikkaa, suuntaa, voimakkuutta ja ajoitusta, jotta nämä sairaudet voidaan hoitaa paremmin.
”Perinteisesti tämä tekniikka pitää sisällään monia manuaalisia toimenpiteitä ja edellyttää käyttäjältä päätöksentekoa”, sanoo Aalto-yliopiston tohtorikoulutettava Aino Tervo, joka auttaa kehittämään uutta teknologiaa. ”Uusi laitteemme voi nopeasti siirtää sähköärsykkeen aivojen osasta toiseen ilman käyttäjän manuaalista työtä. Kehitämme myös algoritmeja, jotka jättävät päätökset tietokoneelle.”
”EEG:n yhdistäminen monikohteiseen magneettistimulaattoriin auttaa sekä kohteiden valinnassa että stimuloinnissa”, Tervo sanoo. ”Stimulaatioparametreja voidaan säätää automaattisesti EEG:n perusteella, ja monikelaisella laitteella voidaan stimuloida esimerkiksi kahta eri sijaintia samanaikaisesti tai vain yhden millisekunnin välein. Tämä ei yksinkertaisesti ole mahdollista, jos käytössä on vain yksi kela.”
”Tämä työ avaa aivan uuden kliinisen ja tutkimusalueen, sillä voimme samanaikaisesti stimuloida useampia aivojen osia ja myös toimia nopeammin”, hän sanoo.
Lisähavaintoja aivoista
Tervo tekee tiivistä yhteistyötä lääketieteen tohtori Selja Vaallon kanssa, joka on kliininen neurofysiologi ja erikoistunut kroonisesta kivusta kärsivien potilaiden hoitoon. Potilaat tulevat HYKSin kliinisen neurofysiologian osastolle, kun muut hoidot, kuten lääkitys, eivät ole tuoneet riittävää helpotusta. Vaikka TMS ei tuota tuloksia kaikille potilaille, on olemassa vahvaa kliinistä näyttöä siitä, että hoito toimii noin 50 prosentissa tapauksista.
”Meillä on potilaita, joilla on monimuotoinen paikallinen kipuoireyhtymä – neuropaattinen kipu, jota on erittäin vaikea hoitaa ja johon lääkkeet eivät välttämättä tehoa”, hän sanoo. ”Nämä potilaat saavat aluksi kaksi viikkoa päivittäistä TMS-hoitoa, ja jos se osoittautuu tehokkaaksi, siirrymme hoitoihin kerran viikossa ja sitten kerran kuukaudessa.”
”Hoitopäivinä stimuloimme niitä aivoalueita, joiden tiedetään liittyvän tiettyihin sairauksiin”, hän sanoo. ”Hoito vaikuttaa neuronien välisiin synapseihin ja lisää aktiivisuutta stimuloiduilla alueilla. Kannustamme näin neuroneja viestimään enemmän. Tämä johtaa muutoksiin hermoston välittäjäaineiden ja kehon itsensä tuottamien opioidien pitoisuuksissa.”
Vaalto ennakoi, että kehitteillä oleva uusi TMS-teknologia auttaa lääkäreitä työskentelemään entistä syvemmällä aivoissa ja tuo lisäapua potilaille, jotka kärsivät kroonisesta kivusta, masennuksesta ja muista sairauksista.
”Esimerkiksi aivohalvauspotilailla kudosvauriot saattavat vahingoittaa hermoratojen toimintaa kahden aivoalueen välillä”, hän sanoo. ”Uudenlaisen TMS:n ansiosta radat saattavat toimia paremmin, jos voimme stimuloida molempia aivoalueita kerralla. Tästä on tullut mahdollista vasta nyt.”
”Samoin masennuksessa kyse ei ole vain siitä, mitä aivokuorella tapahtuu, vaan esimerkiksi etuaivojen alueelta lähtee hermoratoja, jotka suuntautuvat aivojen syvemmille alueille”, hän sanoo. ”Nämä alueet ovat hyvin tärkeitä tunnereaktioissa, ja tällä uudella tekniikalla pystymme paremmin vaikuttamaan niihin.”
”Tekemämme työ avaa aivan uuden aikakauden transkraniaalisessa magneettistimulaatiossa”, Vaalto sanoo. ”Pystymme hoitamaan enemmän potilaita – koska pystymme työskentelemään nopeammin – ja löytämään myös uusia ja tehokkaampia keinoja auttaa hoitoa tarvitsevia ihmisiä.”
Teksti: Andrew Flowers
Lue lisää uutisia
Unite! Open Science and Innovation Management -käsikirja saatavilla verkossa ja painettuna
Käsikirja on käytännön opas yliopistotutkijoille, tutkimus- ja innovaatiopalveluille sekä yliopistojen johdolle.
QUORUM-projekti tarttuu kaupunkien vesi- ja ilmastohaasteisiin monitieteisen Unite!-yhteistyön avulla
Projekti on saanut siemenrahaa Unite!-yliopistoallianssilta.
Tarun Sharma johtavaksi työelämäasiantuntijaksi tuotantotalouden laitokselle
Tarun Sharma, Nokia Venturesin Partner & COO, tuli alun perin Suomeen vahingossa puoleksi vuodeksi mutta päätti jäädä. Nyt hän aloittaa yritysten riskisijoittamiseen ja yrittämiseen keskittyvänä johtavana työelämäasiantuntijana tuotantotalouden laitoksella.