Vědci z CEITEC Vysokého učení technického v Brně pod vedením profesora Erica Daniela Glowackého vyvrátili dlouholeté předpoklady o populární technice mozkové stimulace známé jako temporální interferenční stimulace. Tato metoda má být založena na neinvazivním cílení na hluboké struktury mozku pomocí překrývání vln vysokofrekvenčních elektrických polí. Jejich zjištění, publikovaná v prestižním časopise Nature Communications, zásadně přehodnocují představy o tom, jak tato metoda funguje.
V oblasti elektrické stimulace mozku a periferních nervů došlo v posledních třiceti letech k významnému pokroku, takže je dnes možná modulace mozkové činnosti pomocí malých elektrických signálů přiváděných přes kůži bez nutnosti chirurgického zákroku. Taková stimulace se používá k léčebným účelům a jako nástroj ke studiu funkcí mozku. Slibnou moderní verzí této techniky je temporální interferenční stimulace. Funguje na principu přivádění dvou mírně posunutých vysokofrekvenčních elektrických signálů, které oscilují tisíckrát za sekundu. Když se tyto dva signály v mozku překrývají, vytvářejí „interferenční vzor" s mnohem nižší frekvencí, který lze naladit tak, aby stimuloval konkrétní neurony - je to trochu, jako kdybyste do rybníka hodily dva kameny a ovládali vzniklé vlnky. Předpokládalo se, že neurony stimuluje pomalý „rytmus" vytvořený v místě, kde se signály setkávají, zatímco ty samotné rychlé vlny byly považovány za neviditelné.
Ve skutečnosti působí vysokofrekvenční signály
„Když jsem o této metodě poprvé slyšel, přišlo mi to jako skvělý nápad a chtěl jsem to hned vyzkoušet," vzpomíná profesor Eric Glowacki. Nová studie však ukazuje, že realita je jiná. Na základě experimentů s kobylkami Locusta migratoria a dobrovolníky z řad lidí tým zjistil, že práh pro aktivaci nervů i průběh stimulační reakce jsou zcela určovány právě tou vysokofrekvenční složkou, nikoli pomalou „obálkou" vzniklou v místě překrytí vysokofrekvenčních signálů.
„Ano, interferenční stimulace funguje, ale mechanismus je odlišný, než se dosud předpokládalo. Naše měření jasně ukázala, že to není nízkofrekvenční obálka, která stimuluje. Skutečným stimulačním prvkem je samotná vysokofrekvenční složka," vysvětluje profesor Glowacki.
Vědci porovnali několik typů elektrických signálů a zjistili, že všechny následují stejný fyzikální model známý jako Hillova křivka, poprvé popsaný v 30. letech 20. století. Jejich výsledky, publikované pod názvem „The same biophysical mechanism is involved in both temporal interference and direct kHz stimulation of peripheral nerves" v prestižním vědeckém časopise Nature Communications, ukazují, že nervové buňky reagují přímo na vysokofrekvenční proudy prostřednictvím procesu zvaného membránová rektifikace, jehož výsledkem je to, že elektrický náboj teče více v jednom směru než v druhém. Studie navazuje na více než půl století práce fyziologů, jako jsou Bernhard Katz a Martin Gildemeister, jejichž výsledky byly dlouho zapomenuty většinou odborné veřejnosti. Moderní přístroje a výpočetní modely nyní umožňují potvrdit tato pozorování na experimentálních modelech, a ukázat tak, na jakém principu populární metoda interferenční stimulace stojí.
Přehodnocení účinnosti
Odhalením mechanismu se ukazuje, že ke stimulaci může dojít v zamýšlené cílové oblasti, ale také podél dráhy elektrického pole - což je klíčové omezení této metody. „Naše práce odhaluje mechanismus, který byl dosud přehlížen. Ukázali jsme, že metoda může fungovat, ale má zásadní omezení: kromě cílové struktury může stimulovat i další oblasti mozku, kterými vlna prochází. Je proto potřeba pečlivě znovu vyhodnotit interpretaci dosavadních výsledků," dodává profesor Glowacki.
Navzdory těmto zjištěním má metoda stále velký terapeutický potenciál. Díky porozumění jejímu skutečnému mechanismu ji mohou výzkumníci doladit pro bezpečnější a účinnější použití při neuromodulaci, rehabilitaci a v bioelektronické medicíně - například při léčbě Parkinsonovy choroby.
„V neurovědách je snadné podlehnout iluzi, že nové technologie přinášejí zcela nové mechanismy. Naše práce ukazuje, že často stačí vrátit se k fyzikálním základům," uzavírá profesor Glowacki.