Ultradźwięki to fale dźwiękowe o częstotliwości wyższej niż ta, jaką jest w stanie usłyszeć ludzkie ucho. Przyjmuje się, że dla człowieka górną granicą słyszalności są drgania o częstotliwości 20 kHz. Nie oznacza to, że dźwięki o wyższej częstotliwości nie są słyszane przez inne organizmy. Doskonale wychwytują je m.in. delfiny, wieloryby, psy czy nietoperze. Te ostatnie zresztą świetnie radzą sobie w ciemności właśnie dzięki ultra-
dźwiękom…


Na początku był… sonar


Dźwięk rozchodzi się w przestrzeni falami. Fale ultradźwiękowe, rozprzestrzeniając się, mogą natrafić na przeszkody, od których się odbijają. Właśnie to zjawisko wykorzystują nietoperze. Te zwierzęta o słabym wzroku wysyłają w przestrzeń dźwięki, a następnie odbierają powracającą falę, dzięki czemu są w stanie zlokalizować nie tylko przeszkody, ale też cel polowania.


Ta zasada rozchodzenia się fal dźwiękowych została z czasem wykorzystana przez człowieka – najpierw w dziedzinie morskiej nawigacji. Wykorzystując to zjawisko, skonstruowano sonar.


Pierwsze sonary zostały opatentowane w 1912 r. Ich rozwój gwałtownie przyspieszył kilka lat później, gdy wybuchła I wojna światowa i do użytku na szeroką skalę wprowadzono okręty podwodne. Stworzenie przyrządu pozwalającego na skuteczną nawigację w morskich głębinach było koniecznością. Sonar składał się z emitera fali ultradźwiękowej, czyli urządzenia wysyłającego dźwięk, i odbiornika, który odbierał powracającą falę. Obliczając czas upływający od wysłania do powrotu dźwięku, zdobywano wiedzę o przeszkodach, jakie znajdują się na kursie okrętu. 


Chociaż wykorzystanie ultradźwięków do obrazowania zastosowano po raz pierwszy w wojsku, to – podobnie jak w przypadku wielu innych wynalazków – z czasem odkrycie to znalazło zastosowanie w życiu cywilnym. A konkretnie w medycynie. Tak powstały pierwsze aparaty USG.


Kariera ultrasonografu


Pierwszy medyczny ultrasonograf skonstruowano w 1951 r. Urządzenie mogło być używane do diagnostyki kamieni nerkowych, guzów sutków czy w położnictwie. Już trzy lata później USG udoskonalili Szwedzi, tworząc maszynę obrazującą m.in. ruch zastawek serca. Kariera ultrasonografii medycznej znacznie przyspieszyła na przełomie lat 60. i 70., gdy aparaty USG trafiły do szpitali, przede wszystkim na oddziały ginekologiczno-położnicze, gdzie aparatura pozwalała na bieżąco obserwować rozwój dziecka w okresie płodowym. Powstałe dzięki tej technologii obrazy miały też niemałe znaczenie dla budowania świadomości, że pod sercem ciężarnej matki rozwija się reagujący na bodźce mały człowiek.


USG jest dziś badaniem powszechnym, ponieważ pozwala diagnozować wiele chorób w sposób nieinwazyjny. Jednak na tym wykorzystanie ultradźwięków w medycynie się nie kończy. Pojawiają się także nowe perspektywy wykorzystania fal dźwiękowych, nie tylko w diagnostyce, ale również w terapii.


Ultrasonografia, czyli nieinwazyjna diagnostyka obrazowa, w ciągu ostatniego półwiecza rozwinęła się tak bardzo, że niektóre badania możemy często wykonać nawet w przychodniach podstawowej opieki medycznej, a jej zastosowanie nie ogranicza się dziś wyłącznie do diagnostyki nienarodzonych dzieci, ale pozwala również na badanie wielu narządów wewnętrznych, a także szczegółową analizę pracy serca czy niektórych naczyń krwionośnych. Fale ultradźwiękowe są jednak dziś wykorzystywane nie tylko w diagnostyce, ale również w terapii. Choćby w urologii, gdzie za ich pomocą rozbija się kamienie nerkowe, czy w okulistyce, gdzie fale wykorzystuje się w jednej z metod leczenia zaćmy. Jednak prawdziwą rewolucją może okazać się zastosowanie ultradźwięków w leczeniu niektórych zaburzeń psychicznych. Duże nadzieje na takie ich wykorzystanie dają badania prowadzone na Uniwersytecie w Plymouth. Czy ta nowa metoda terapeutyczna zrewolucjonizuje psychiatrię?


Ultradźwięki w psychiatrii


Obserwacje ze wspomnianych badań opisano na łamach czasopisma „Nature Communications”. Technika przeanalizowana przez naukowców polega na stosowaniu przezczaszkowo wiązki ultradźwięków (ang. Transcranial Ultrasound Stimulation – TUS). Jednak o ile w badaniu USG wiązka jest szeroka, o tyle w metodzie TUS stosuje się wiązkę skoncentrowaną. Prowadząca eksperyment dr Siti Yaakub poddała działaniu wiązki ultradźwiękowej mózgi 24 ochotników. Jak przebiegał eksperyment? 


W pierwszej fazie wszyscy ochotnicy zostali przebadani rezonansem magnetycznym. Na podstawie wyników tych badań zaplanowano trzy sesje TUS. U niektórych osób stosowano następnie faktyczne oddziaływanie przezczaszkowe ultradźwiękami (z podziałem na określone partie mózgu), u innych stymulacja była tylko pozorowana. Bezpośrednio po każdej z sesji przeprowadzano badania kontrolne rezonansem. Poszczególne sesje odbywały się z zachowaniem tygodniowej przerwy.


Z przeprowadzonych badań wynika, że stymulowanie konkretnych obszarów mózgu ma wpływ na połączenia nerwowe i sposób komunikowania się określonych części mózgu między sobą. Oddziaływanie skoncentrowaną wiązką ultradźwięków pozwoliło zwiększyć ciśnienie w poddanym oddziaływaniu obszarze. Skupienie wiązki miało wpływ na połączenia neuronów. W jaki sposób? Otóż doprowadziło do zwiększenia stężenia jednego z podstawowych neuroprzekaźników – kwasu gamma-aminomasłowego.


W czasie eksperymentu do zmiany dochodziło w ciągu godziny od ekspozycji na ultradźwięki. W tym samym czasie obserwowano też zmiany w sposobie komunikowania się stymulowanego obszaru z zresztą mózgu. Jak podkreśla dr Yaakub, działanie ultra-
dźwiękami pewne obszary mózgu pobudzało bardziej niż inne. 


Nadzieja na nową terapię


Odkrycie zespołu dr Yaakub może znaleźć zastosowanie w leczeniu niektórych zaburzeń psychicznych, między innymi depresji, stanów lękowych, a nawet uzależnień. Choć badania prowadzone w Plymouth są dopiero pierwszym krokiem na długiej drodze do stworzenia tego rodzaju terapii, to jeśli uda się ją opracować, będzie miała ogromne znaczenie w leczeniu wspomnianych schorzeń. Dlaczego? Ponieważ stymulacja skoncentrowaną wiązką ultradźwięków pozwala działać na określony obszar mózgu bez wpływania na jego pozostałe, zdrowe partie. Byłaby to więc terapia celowana, ukierunkowana na konkretne chore miejsce, w przeciwieństwie do stosowanej współcześnie farmakologii, która oddziałuje na cały mózg. „Jednym z długoterminowych celów neurobiologów jest znalezienie sposobów na zmianę aktywności tylko w określonych częściach mózgu, pozostawiając resztę nienaruszoną. Jeśli przyjmiemy na przykład leki przeciwdepresyjne, to wpłyną one na cały mózg, a klinicyści mają bardzo ograniczoną kontrolę nad tym, gdzie ten lek trafia i co robi” – podkreśla prof. Elsa 
Fouragnan, współautorka koncepcji eksperymentu.


Ta sama metoda oddziaływania na mózg może mieć też inne zastosowanie. Badacze z uniwersytetu Plymouth analizują również możliwości pobudzenia wiązką ultradźwiękową układu dopaminergicznego, który ma wpływ na procesy uczenia czy budowanie motywacji do działania.


Czy więc w przyszłości będziemy w stanie leczyć niektóre choroby mózgu i pobudzać nasz „centralny komputer” do efektywniejszego działania za pomocą fal dźwiękowych? Obserwacje naukowców z Plymouth dają nadzieję na rewolucję w terapii chorób, które dziś wymagają silnej interwencji farmakologicznej, obarczonej ryzykiem skutków ubocznych.