Informationen über Ultraschall

Ultraschall:

Als Ultraschall (oft als US abgekürzt) bezeichnet man Schall mit Frequenzen oberhalb des Hörfrequenzbereichs des Menschen. Er umfasst Frequenzen ab etwa 16 kHz. Schall ab einer Frequenz von etwa 1 GHz wird auch als Hyperschall bezeichnet. Bei Frequenzen unterhalb des für Menschen hörbaren Frequenzbereichs spricht man dagegen von Infraschall.

In Gasen und Flüssigkeiten breitet sich Ultraschall überwiegend als Longitudinalwelle aus. In Festkörpern kommt es wegen der auftretenden Schubspannungen zusätzlich auch zur Ausbreitung von Transversalwellen. Ultraschall wird je nach Material eines Hindernisses an diesem reflektiert, in ihm absorbiert, gestreut oder tritt hindurch (Transmission). Wie bei anderen Wellen treten auch Brechung, Beugung und Interferenz auf.

Schall: Klang der Welt

Dieses Video von 2004 aus der Reihe "hitec" handelt von Schall. Dabei wird zuerst Infraschall gezeigt, dessen Wellen sich über die ganze Welt ausbreiten. Danach wird der Lautsprecher "Audiobeam" von Sennheiser vorgestellt, der mithilfe von Ultraschall speziell gerichtete Schallwellen produzieren kann. Auch die Forschung zur Lärmreduzierung von Flugzeugtriebwerken wird gezeigt. Sounddesign ist eine Branche, die den Klang von z. B. zuschlagenden Autotüren gestaltet. Letztendlich wird eine akustische Kamera vorgestellt, die Klänge mithilfe vieler Mikrofone lokalisieren kann.

Veröffentlichte Forschung und Informationen über Ultraschall

Mit Ultraschall ins Gehirn

Verschiedene Studien zeigen, dass sich die Hirnaktivität mit Ultraschall beeinflussen lässt. Bei dieser Art der Neuromodulation ist keine Operation nötig. Wissenschafter versprechen sich deshalb viel von der neuen Technik.

Als der Doktorand William «Jamie» Tyler Anfang der 2000er Jahre Nervenzellen unter dem Mikroskop beobachtete, drehte er den Bass seiner Musikanlage lauter. Zu seiner Überraschung reagierten die Zellen und feuerten. Tyler war auf eine Eigenschaft gestossen, die bereits in den 1950er Jahren beschrieben worden, aber nahezu in Vergessenheit geraten war: Nervenzellen reagieren auf Schall. Die Erkenntnis liess Tyler, heute Professor an der amerikanischen Universität Virginia Tech in Roanoke, nicht mehr los.

Hoch invasives Verfahren

In der Zwischenzeit revolutionierte eine neue Methode die Hirnforschung, die Optogenetik. Seit neun Jahren können Forscher Nervenzellen im Tier gezielt aktivieren und deaktivieren. Dazu verändern sie das Erbgut einzelner Nervenzellen so, dass sich die Zellen anschliessend per Licht erregen und hemmen lassen. Das ist eine wichtige Technik, um herauszufinden, wie das Gehirn funktioniert. Das hoch invasive Verfahren eignet sich jedoch (vorerst) nicht für den Menschen.

Sie stünden an dieser Stelle vor einer Wand, erklärt Tyler. Nichtinvasive Methoden für den Einsatz beim Menschen, wie beispielsweise die Stimulation des Gehirns durch Magnetfelder, sind zu ungenau. Sie aktivieren mehrere Zentimeter grosse Hirnareale. Man ziele auf das Hirngebiet, das für Bewegung zuständig ist, treffe aber gleichzeitig Bereiche, die Berührung verarbeiten. So sei keine Stimulation möglich, berichtet Tyler. Ohne eine gezielte Stimulation lässt sich jedoch die Aktivität des menschlichen Gehirns und seiner Störungen wie etwa Parkinson, Epilepsie und Depression nicht erforschen. So fahnden Wissenschafter intensiv nach einer Technik, mit der sie das Gehirn ohne operativen Eingriff und trotzdem präzise modulieren und somit kartieren können.

Vor acht Jahren nahm Tyler seine alte Spur wieder auf. Er schrieb seine Idee nieder und präsentierte sie der Patentabteilung seiner Universität: Wie kann ich Gehirnaktivität durch Ultraschall modulieren? «Die erklärten mich für verrückt», erinnert er sich. Tyler suchte nach den optimalen Frequenzen und testete schliesslich Ultraschall an Mäusen. Er zielte mit dem Gerät auf ein Gehirngebiet, das für die Bewegung der Pfote zuständig ist. Einer seiner Mitarbeiter stiess aus Versehen an den Regler, anstatt in Pulsen sendete das Gerät nun kontinuierlich. Die Maus hob die Pfote. «Das war der glücklichste Tag meiner Karriere», sagt Tyler. Die daraus folgende Veröffentlichung im Jahre 2010 inspirierte Forscher weltweit, die Methode auszuprobieren.

Auf wenige Millimeter genau

Die von Tyler verwendeten niedrigen Frequenzen produzierten ein so umfangreiches Druckfeld im Gehirn, dass es ihnen als Physikern zunächst schwergefallen sei, den Ergebnissen zu glauben, berichtet Jean-François Aubry vom Institut Langevin in Paris. Aubry und Kollegen wiederholten Tylers Versuch – mit Erfolg. Sie lösten je nach Position des Ultraschallkopfes Bewegungen der Tasthaare, des Schwanzes und der Augen in der Ratte aus. Bis auf wenige Millimeter lässt sich der Ultraschall im Gehirn fokussieren. Teams der Universitäten Stanford und Harvard meldeten ebenfalls Vollzug. Sie erregten im Tiermodell das Gedächtniszentrum, unterdrückten Augenreaktionen und dämpften epileptische Anfälle.

Die Ultraschall-Prozedur entspricht etwa dem, was Patienten und Schwangere aus der medizinischen Diagnostik kennen. Ein auf der Haut anliegender Ultraschallkopf sendet unbemerkt vom Empfänger kurze Impulse ins Körperinnere. Ultraschall liegt mit Frequenzen über 20 kHz oberhalb unseres Hörbereichs. Das seit über 40 Jahren eingesetzte Verfahren gilt bis heute als unbedenklich.

Unklar ist, wie der Schall auf das Gehirn wirkt. Möglicherweise verändert er die Membranstruktur von Nervenzellen. Bestandteile der Zellmembran, Phospholipide, «schwabbeln und drehen sich im Nanosekundentakt», schreibt Tyler in einer Übersicht. Eine Deformation der Membran durch Druckwellen verändert deren Anordnung. Die Membran reagiert darauf wie eine Strumpfhose mit feinen Löchern auf Dehnung. Die in die Membran eingebetteten Kanäle weiten sich, geladene Teilchen strömen hindurch und erregen die Nervenzelle. Inzwischen liegen Belege für die Wirkung der Ultraschall-Neuromodulation bei Ochsenfrosch, Salamander, Ratte, Kaninchen, Katze, Minischwein und Affe vor.

Die Forscher scharren mit den Füssen. Die Anwendung bei Menschen steht an. Zumal Alexander Bystritsky, Psychiater an der University of California, und andere inzwischen zeigten, dass sich die Methode mit bildgebenden Verfahren, etwa der funktionellen Magnetresonanztomografie, kombinieren lässt. So könnte man herausfinden, welche Stimulation zu welchen Aktivitätsmustern im Gehirn führt, also eine Karte der Gehirnfunktionen erstellen.

Stuart Hameroff, Anästhesist und nicht unumstrittener Bewusstseinsforscher von der University of Arizona, wagte als Erster den Sprung zum Menschen. Zunächst testete er das klassische Ultraschallgerät, wie es in seiner Klinik für diagnostische Zwecke eingesetzt wird, am eigenen Kopf. Nichts geschah. Hameroff war enttäuscht. Doch nach einer Minute habe er etwas gespürt, berichtet der Forscher, so wie nach einem Martini. Er fühlte sich deutlich energiegeladener und kreativer.

Im Fachmagazin «Brain Stimulation» veröffentlichte Hameroff 2013 eine erste Pilotstudie. Er sendete 15 Sekunden lang Ultraschall an eine Stelle des Vorderhirns von 31 Schmerzpatienten. Im Vergleich zu einer Placebo-Behandlung besserte sich die Stimmung der Beschallten, und der Schmerz liess, wenn auch nicht statistisch bedeutsam, etwas nach. In einer noch unveröffentlichten Folgestudie mit über 100 Teilnehmern soll es laut Hameroff zu einer signifikanten Stimmungsaufhellung durch Ultraschall gekommen sein.

Termine ausgebucht

Die Neuromodulation per Ultraschall öffnet Möglichkeiten. Aubry wird untersuchen, ob Ultraschall den Ort im Gehirn vorübergehend deaktivieren kann, der bei Parkinson-Patienten das Zittern auslöst. Bystritsky startet im Februar eine Studie mit der Frage, inwieweit Ultraschall Menschen mit Depressionen aus ihrem Tief helfen könnte. Tyler arbeitet daran, mittels Neuromodulation und Bildgebung das Gehirn von Tier und Mensch zu kartieren. Gleichzeitig entwickelt er mit einer von ihm gegründeten Firma ein Gerät, das die Ultraschall-Neuromodulation beim Menschen erleichtern soll.

Dass Ultraschall die Stimmung heben könnte, hat sich herumgesprochen. In der Firmenniederlassung in Boston sind die Termine für freiwillige Versuchspersonen über Wochen ausgebucht. Die nächsten Jahre werden zeigen, ob die Methode hält, was sie verspricht: menschliche Gehirnfunktionen besser zu verstehen und neurologische Leiden zu lindern.

Quelle: NZZ.ch


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