Summary

Pipeline para la planificación y ejecución de experimentos de neuromodulación por ultrasonido transcraneal en humanos

Published: June 28, 2024
doi:

Summary

La estimulación transcraneal por ultrasonido (TUS) es una técnica emergente de neuromodulación no invasiva que requiere una planificación cuidadosa de simulaciones acústicas y térmicas. La metodología describe un proceso de procesamiento de imágenes y simulación de ultrasonido para una planificación eficiente, fácil de usar y simplificada para la experimentación humana con TUS.

Abstract

La estimulación transcraneal por ultrasonido (TUS) es una técnica emergente de neuromodulación no invasiva capaz de manipular estructuras tanto corticales como subcorticales con alta precisión. La realización de experimentos con seres humanos requiere una planificación cuidadosa de las simulaciones acústicas y térmicas. Esta planificación es esencial para ajustar la interferencia ósea con la forma y la trayectoria del haz de ultrasonido y para garantizar que los parámetros del TUS cumplan con los requisitos de seguridad. Se adquieren imágenes de resonancia magnética (RM) ponderadas en T1 y T2, junto con ecos de tiempo cero (ZTE) con resolución isotrópica de 1 mm (alternativamente tomografías computarizadas de rayos X (TC)) para la reconstrucción y simulaciones del cráneo. El mapeo de objetivos y trayectorias se realiza utilizando una plataforma de neuronavegación. SimNIBS se utiliza para la segmentación inicial del cráneo, la piel y los tejidos cerebrales. La simulación de TUS se lleva a cabo con la herramienta BabelBrain, que utiliza el escaneo ZTE para producir imágenes sintéticas de TC del cráneo que se convertirán en propiedades acústicas. Utilizamos un transductor de ultrasonido Phased Array con capacidades de dirección eléctrica. La dirección en Z se ajusta para garantizar que se alcance la profundidad objetivo. Otras configuraciones de transductor también son compatibles con la herramienta de planificación. Se realizan simulaciones térmicas para garantizar que los requisitos de temperatura e índice mecánico estén dentro de las pautas acústicas para TUS en sujetos humanos, según lo recomendado por la FDA. Durante las sesiones de entrega de TUS, un brazo mecánico ayuda en el movimiento del transductor a la ubicación requerida mediante un sistema de localización estereotáctica sin marco.

Introduction

Las técnicas de neuroestimulación no invasivas comúnmente utilizadas incluyen la estimulación transcraneal de corriente directa (tDCS) y la estimulación magnética transcraneal (TMS). Sin embargo, ambos tienen una profundidad de penetración limitada y una baja precisión 1,2. Por el contrario, la ecografía transcraneal (TUS) es una técnica emergente no invasiva capaz de mejorar o suprimir la actividad neuronal 3,4,5 y dirigirse a las estructuras corticales o subcorticales con precisión milimétrica 6,7. Los modelos animales que utilizan roedores 4,8,9, conejos10, ovejas 5,11, cerdos6 y primates no humanos 7,12,13,14 han demostrado la eficacia y seguridad del TUS. Los estudios han demostrado que dirigirse a varias regiones del cerebro puede provocar movimientos de las extremidades8 en ratas, potenciales evocados somatosensoriales (SSEP) en cerdos6 y cambios en la actividad visomotora12, la toma de decisiones cognitivas y motivacionales en primates no humanos13, entre otros cambios en el comportamiento. En humanos, se ha observado que el TUS cambia los potenciales evocados motores (MEP) y el rendimiento en una tarea de tiempo de reacción cuando se dirige a la corteza motora primaria15,16 y altera el rendimiento en una tarea de discriminación táctil y SSEP cuando se dirige a la corteza somatosensorial17 y el tálamo sensorial18. Los análisis histológicos no han revelado cambios estructurales macroscópicos o microscópicos asociados con el TUS en cerdos6, ovejas 5,11, conejos10 y primates no humanos14, y no se han observado efectos secundarios que difieran significativamente de otras técnicas de neuroestimulación no invasivas19.

TUS utiliza ultrasonidos focalizados pulsados de baja intensidad a una frecuencia entre 200 kHz y 700 kHz para producir un efecto neuromodulador transitorio. La intensidad media del pulso de pico espacial (Isppa) típica in situ es de 10 W/cm2 o menos, con ciclos de trabajo informados (porcentaje de tiempo cuando el ultrasonido está activado) que oscila entre el 0,5% y el 70% en humanos 20,21,22,23,24. A pesar de que se ha propuesto que los mecanismos de la neuromodulación de la TUS involucran principalmente la agitación mecánica de las membranas lipídicas que conduce a la apertura de canales iónicos 25,26,27, los posibles efectos térmicos y de cavitación no pueden ser ignorados. Se evalúan a través de índices mecánicos (MI) y térmicos (TI). El IM describe los efectos biológicos relacionados con la cavitación previstos que ocurrirán con el TUS, mientras que el TI describe el aumento potencial de la temperatura dentro de los tejidos después de la aplicación de ultrasonido28,29. Además, cambiar la frecuencia y la intensidad de entrada también hace que cambien el MI y el TI. Las frecuencias más altas tienen una mejor resolución espacial y disminuyen la probabilidad de bioefectos mecánicos; sin embargo, tienen una absorción más fuerte en el tejido, lo que aumenta el potencial de aumento de la temperatura28. Alternativamente, las frecuencias más bajas a la misma intensidad aumentan el IM. Del mismo modo, el aumento de la intensidad tiende a aumentar la magnitud de los bioefectos mecánicos y térmicos30. Por lo tanto, es imperativo que se realice una planificación y simulación cuidadosas antes de las sesiones de experimentación para todos los parámetros de TUS que se implementarán.

La planificación de un experimento TUS requiere la identificación del objetivo y la trayectoria de interés y la realización de simulaciones térmicas y acústicas. Las simulaciones ayudan a optimizar los efectos mecánicos y a mitigar los efectos térmicos del TUS en los tejidos. Requieren comprender la predicción del calentamiento del cráneo, la amplitud de la presión del ultrasonido en el punto focal, la corrección focal y otros calentamientos dentro del cráneo y la piel. Una simulación adecuada garantiza que el punto focal alcance el objetivo de interés y se sigan los parámetros de seguridad para el uso de ultrasonidos establecidos por las directrices de seguridad biofísica recomendadas por el Consorcio Internacional de Normas y Seguridad de la Estimulación Ultrasónica Transcraneal (ITRUSST)31, que se basan en las recomendaciones de la FDA y Health Canada. Estudios recientes también han destacado un efecto de confusión auditiva acompañado de TUS 32,33,34 en animales y humanos, por lo que la estimulación de TUS puede activar las vías auditivas en el cerebro para provocar respuestas 32,33,34. La transección de los nervios auditivos32, la eliminación del líquido coclear32 o la sordera química33 en roedores se han empleado para disminuir estos efectos en los animales. En los seres humanos, la administración de un tono auditivo a través de auriculares se ha utilizado para enmascarar eficazmente el ruido auditivo del TUS, controlando la actividad auditiva inducida por el TUS34. Esto pone de manifiesto la necesidad de controlar el ruido auditivo en condiciones de estimulación simulada, que debe incorporarse a la planificación, el diseño y la implementación del protocolo.

Aquí, presentamos una guía sobre cómo completar adecuadamente la preparación (paso 1, paso 2), la planificación (paso 3), las simulaciones (paso 4) y la entrega de TUS (paso 5) necesarios para realizar el experimento de neuromodulación TUS en humanos.

Protocol

Todos los métodos que involucran el uso de sujetos humanos se realizaron de acuerdo con la Conducta Ética para la Investigación con Seres Humanos, y el protocolo fue aprobado por la Junta Conjunta de Ética en Investigación en Salud (CHREB) de la Universidad de Calgary. Todos los sujetos dieron su consentimiento informado por escrito antes de participar. Se requirió que los participantes humanos fueran adultos diestros sanos de entre 18 y 40 años dispuestos y capaces de completar una resonancia magnética (IRM). Lo…

Representative Results

La Figura 7 ilustra ejemplos comparativos de sesiones de uno de nuestros estudios42, con dos participantes distintos que emplean parámetros de ultrasonido específicos (frecuencia fundamental de 250 kHz, duración de la sonicación de 120 s, una frecuencia de repetición de impulsos (PRF) de 100 Hz, un ciclo de trabajo del 10% y unaSPPA I de 5 W/cm²). En esta investigación, se obtuvieron resonancias magnéticas T1-, T2-w y ZTE con una resolución isotró…

Discussion

En este método, se realizan simulaciones específicas de cada sujeto para predecir y evaluar los posibles efectos térmicos y mecánicos resultantes de la aplicación de TUS en el cerebro. Los conjuntos de datos entre los participantes deben permanecer separados y cuidadosamente documentados, ya que el uso de un escaneo o archivo de datos incorrecto dará lugar a simulaciones inexactas. Cuando se recopilan numerosos escaneos de participantes y la planificación se realiza en conjunto, es importante garantizar el etiquet…

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este trabajo fue apoyado en parte por una beca Discovery del Consejo de Investigación de Ciencias Naturales e Ingeniería de Canadá, el programa INNOVAIT, el Fondo de Investigación Médica Cumming, la Fundación Canadiense para la Innovación (Proyecto 36703), la beca CAPRI del Instituto del Cerebro Hotchkiss y la financiación de la Asociación de Parkinson de Alberta. GBP agradece el apoyo de los Institutos Canadienses para la Investigación en Salud (FDN-143290) y el Programa de Cátedras Innovates del Campus Alberta.

Materials

128-channel amplifier unit Image Guided Therapy This unit drives the H-317 transducer
24-channel head coil General Electric
3D printer Raise3D Pro2 Filament thickness of 1.75mm.
3T MRI scanner General Electric Discovery 750 HD MR Console version DV26.0_R05_2008
BabelBrain Samuel Pichardo (University of Calgary) Version 0.3.0 Accessible at https://github.com/ProteusMRIgHIFU/BabelBrain. Executes thermal and acoustic simulations.
Blender Blender Foundation Version 3.4.1 Accessible at https://www.blender.org. Blender is called automatically by BabelBrain.
Brainsight Rogue Research Version 2.5.2 Used for target identification, trajectory planning, and execution of TUS delivery sessions.
Chair and chin/head holder Rogue Research To be used during TUS delivery session to ensure stability of participant’s head for optimized targeting.
Custom-made coupling cone University of Calgary team 3D printed cone in acrylonitrile butadiene styrene (ABS), only required for H-317 transducer.
dcm2niix Chris Rorden (University of South Carolina)  Version 1.0.20220720 Accessible at https://github.com/rordenlab/dcm2niix/releases. Used for pre-processing subject MR images.
Fiducials and headband or glasses Brainsight, Rogue Research  ST-1325 (subject tracker), LCT-583 (large coil tracker) Headband or glasses can be interchangeably used.
Headphones Beats Fit Pro True Wireless Earbuds Wireless Bluetooth earbuds with disposable tips.
MacBookPro Apple M2 Max, 16”, 64GB RAM Computer for completing trajectory planning and simulations
SimNIBS Axel Thielscher (Technical University of Denmark) Version 4.0.0 Accessible at https://simnibs.github.io/simnibs/build/html.index.html
Syringe(s) 10 mL, 60 mL Used to add additional ultrasound gel to fill air pockets.
Transducer Sonicconcepts H-317 Other supported transducers include CTX_500 (NeuroFUS, Sonicconcepts), Single element, H-246 (Sonicconcepts), and Bsonix (Brainsonix)
Transducer film Sonicconcepts Polyurethane membrane Interface between transducer and the subject
Ultrasound gel Wavelength Clear Ultrasound Gel Coupling medium.
Windows Laptop Acer Aspire A717-71G, Intel Core i7-7700HQ, 16 GB RAM System used to control 128-channel amplifier and generate sound through the headphones

Referencias

  1. Baek, H., Pahk, K. J., Kim, H. A review of low-intensity focused ultrasound for neuromodulation. Biomed Eng Lett. 7 (2), 135-142 (2017).
  2. Rezayat, E., Toostani, I. G. A review on brain stimulation using low intensity focused ultrasound. Basic Clin Neurosci. 7 (3), 187-194 (2016).
  3. Dell’Italia, J., Sanguinetti, J. L., Monti, M. M., Bystritsky, A., Reggente, N. Current state of potential mechanisms supporting low intensity focused ultrasound for neuromodulation. Front Hum Neurosci. 16, 872639 (2022).
  4. Kim, H., et al. Suppression of EEG visual-evoked potentials in rats through neuromodulatory focused ultrasound. Neuroreport. 26 (4), 211-215 (2015).
  5. Yoon, K., et al. Effects of sonication parameters on transcranial focused ultrasound brain stimulation in an ovine model. PLoS One. 14 (10), e0224311 (2019).
  6. Dallapiazza, R. F., et al. Non-invasive neuromodulation and thalamic mapping with low-intensity focused ultrasound. J Neurosurg. 128 (3), 875-884 (2018).
  7. Folloni, D., et al. Manipulation of subcortical and deep cortical activity in the primate brain using transcranial focused ultrasound stimulation. Neuron. 101 (6), 1109-1116 (2019).
  8. Gulick, D. W., Li, T., Kleim, J. A., Towe, B. C. Comparison of electrical and ultrasound neurostimulation in rat motor cortex. Ultrasound Med Biol. 43 (12), 2824-2833 (2017).
  9. King, R. L., Brown, J. R., Newsome, W. T., Pauly, K. B. Effective parameters for ultrasound-induced in vivo neurostimulation. Ultrasound Med Biol. 39 (2), 312-331 (2013).
  10. Yoo, S. S., et al. Focused ultrasound modulates region-specific brain activity. Neuroimage. 56 (3), 1267-1275 (2011).
  11. Kim, H. C., et al. Transcranial focused ultrasound modulates cortical and thalamic motor activity in awake sheep. Sci Rep. 11 (1), 19274 (2021).
  12. Deffieux, T., et al. Low-intensity focused ultrasound modulates monkey visuomotor behavior. Curr Biol. 23 (23), 2430-2433 (2013).
  13. Munoz, F., et al. Long term study of motivational and cognitive effects of low-intensity focused ultrasound neuromodulation in the dorsal striatum of nonhuman primates. Brain Stimul. 15 (2), 360-372 (2022).
  14. Verhagen, L., et al. Offline impact of transcranial focused ultrasound on cortical activation in primates. ELife. 8, e40541 (2019).
  15. Fomenko, A., et al. Systematic examination of low-intensity ultrasound parameters on human motor cortex excitability and behavior. ELife. 9, e54497 (2020).
  16. Legon, W., Bansal, P., Tyshynsky, R., Ai, L., Mueller, J. K. Transcranial focused ultrasound neuromodulation of the human primary motor cortex. Sci Rep. 8 (1), 10007 (2018).
  17. Legon, W., et al. Transcranial focused ultrasound modulates the activity of primary somatosensory cortex in humans. Nat Neurosci. 17 (2), 322-329 (2014).
  18. Legon, W., Ai, L., Bansal, P., Mueller, J. K. Neuromodulation with single-element transcranial focused ultrasound in human thalamus. Hum Brain Mapp. 39 (5), 1995-2006 (2018).
  19. Legon, W., et al. A retrospective qualitative report of symptoms and safety from transcranial focused ultrasound for neuromodulation in humans. Sci Rep. 10, 5573 (2020).
  20. Forster, A., et al. Investigating the role of the right inferior frontal gyrus in control perception: A double-blind cross-over study using ultrasonic neuromodulation. Neuropsychologia. 187, 108589 (2023).
  21. Forster, A., et al. Transcranial focused ultrasound modulates the emergence of learned helplessness via midline theta modification. J Affect Disord. 329, 273-284 (2023).
  22. Ziebell, P., et al. Inhibition of midfrontal theta with transcranial ultrasound explains greater approach versus withdrawal behavior in humans. Brain Stimul. 16 (5), 1278-1288 (2023).
  23. Kim, H. C., Lee, W., Weisholtz, D. S., Yoo, S. S. Transcranial focused ultrasound stimulation of cortical and thalamic somatosensory areas in human. PLoS One. 18 (7), e0288654 (2023).
  24. Kim, Y. G., et al. Neuromodulation using transcranial focused ultrasound on the bilateral medial prefrontal cortex. J Clin Med. 11 (13), 3809 (2022).
  25. Chu, Y. C., Lim, J., Chien, A., Chen, C. C., Wang, J. L. Activation of mechanosensitive ion channels by ultrasound. Ultrasound Med Biol. 48 (10), 1981-1994 (2022).
  26. Kubanek, J., et al. Ultrasound modulates ion channel currents. Sci Rep. 6 (1), 24170 (2016).
  27. Prieto, M. L., Firouzi, K., Khuri-Yakub, B. T., Maduke, M. Activation of Piezo1 but not NaV1.2 channels by ultrasound at 43 MHz. Ultrasound Med Biol. 44 (6), 1217-1232 (2018).
  28. Quarato, C. M. I., et al. A review on biological effects of ultrasounds: Key messages for clinicians. Diagnostics. 13 (5), 855 (2023).
  29. Nowicki, A. Safety of ultrasonic examinations; thermal and mechanical indices. Med Ultrason. 22 (2), 203 (2020).
  30. Miller, D. L., et al. Overview of therapeutic ultrasound applications and safety considerations. J Ultrasound Med. 31 (4), 623-634 (2012).
  31. Aubry, J. F., et al. ITRUSST consensus on biophysical safety for transcranial ultrasonic stimulation. arXiv preprint arXiv. , (2023).
  32. Guo, H., et al. Ultrasound produces extensive brain activation via a cochlear pathway. Neuron. 98 (5), 1020-1030.e4 (2018).
  33. Sato, T., Shapiro, M. G., Tsao, D. Y. Ultrasonic neuromodulation causes widespread cortical activation via an indirect auditory mechanism. Neuron. 98 (5), 1031-1041 (2018).
  34. Braun, V., Blackmore, J., Cleveland, R. O., Butler, C. R. Transcranial ultrasound stimulation in humans is associated with an auditory confound that can be effectively masked. Brain Stimul. 13 (6), 1527-1534 (2020).
  35. Martin, E., et al. ITRUSST consensus on standardised reporting for transcranial ultrasound stimulation. Brain Stimul. , S1935861X24000718 (2024).
  36. Pichardo, S. BabelBrain: An open-source application for prospective modeling of transcranial focused ultrasound for neuromodulation applications. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 70 (7), 587-599 (2023).
  37. Khoshnevisan, A., Allahabadi, N. S. Neuronavigation: Principles, clinical applications and potential pitfalls. Iran J Psychiatry. 7 (2), 97-103 (2012).
  38. Xu, L., et al. Characterization of the targeting accuracy of a neuronavigation-guided transcranial fus system in vitro, in vivo, and in silico. IEEE Trans Biomed Eng. 70 (5), 1528-1538 (2023).
  39. Kuehn, B., et al. Sensor-based neuronavigation: Evaluation of a large continuous patient population. Clin Neurol Neurosurg. 110 (10), 1012-1019 (2008).
  40. Ambrosini, E., et al. StimTrack: An open-source software for manual transcranial magnetic stimulation coil positioning. J Neurosci Methods. 293, 97-104 (2018).
  41. Kop, B. R., et al. Auditory confounds can drive online effects of transcranial ultrasonic stimulation in humans. eLife. , (2024).
  42. Zadeh, A. K., et al. The effect of transcranial ultrasound pulse repetition frequency on sustained inhibition in the human primary motor cortex: A double-blind, sham-controlled study. Brain Stimul. 17 (2), 476-484 (2024).
  43. Mohammadjavadi, M., et al. Elimination of peripheral auditory pathway activation does not affect motor responses from ultrasound neuromodulation. Brain Stimul. 12 (4), 901-910 (2019).
  44. Johnstone, A., et al. A range of pulses commonly used for human transcranial ultrasound stimulation are clearly audible. Brain Stimul. 14 (5), 1353-1355 (2021).
  45. Zeng, K., et al. Induction of human motor cortex plasticity by theta burst transcranial ultrasound stimulation. Ann Neurol. 91 (2), 238-252 (2022).
  46. Lee, W., et al. Image-guided transcranial focused ultrasound stimulates human primary somatosensory cortex. Sci Rep. 5, 8743 (2015).
  47. Ridding, M. C., Rothwell, J. C. Is there a future for therapeutic use of transcranial magnetic stimulation. Nat Rev Neurosci. 8 (7), 559-567 (2007).
  48. Nicolo, P., Ptak, R., Guggisberg, A. G. Variability of behavioural responses to transcranial magnetic stimulation: Origins and predictors. Neuropsychologia. 74, 137-144 (2015).
  49. Horvath, J. C., Carter, O., Forte, J. D. No significant effect of transcranial direct current stimulation (tDCS) found on simple motor reaction time comparing 15 different simulation protocols. Neuropsychologia. 91, 544-552 (2016).
  50. Horvath, J. C., Vogrin, S. J., Carter, O., Cook, M. J., Forte, J. D. Effects of a common transcranial direct current stimulation (tDCS) protocol on motor evoked potentials found to be highly variable within individuals over 9 testing sessions. Exp Brain Res. 234 (9), 2629-2642 (2016).
  51. Angla, C., Larrat, B., Gennisson, J., Chatillon, S. Transcranial ultrasound simulations: A review. Med Phys. 50 (2), 1051-1072 (2023).
  52. Miller, G. W., Eames, M., Snell, J., Aubry, J. Ultrashort echo-time MRI versus CT for skull aberration correction in MR-guided transcranial focused ultrasound: In vitro comparison on human calvaria. Med Phys. 42 (5), 2223-2233 (2015).
  53. Miscouridou, M., Pineda-Pardo, J. A., Stagg, C. J., Treeby, B. E., Stanziola, A. Classical and learned MR to pseudo-CT mappings for accurate transcranial ultrasound simulation. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 69 (10), 2896-2905 (2022).
  54. Pichardo, S., et al. A viscoelastic model for the prediction of transcranial ultrasound propagation: application for the estimation of shear acoustic properties in the human skull. Phys Med Biol. 62 (17), 6938-6962 (2017).
  55. Pichardo, S. . ProteusMRIgHIFU/BABELVISCOFDTD: Software Library for FDTD of viscoelastic equation using a staggered grid arrangement with support for GPU and CPU backends. , (2024).
  56. Aubry, J. F., et al. Benchmark problems for transcranial ultrasound simulation: Intercomparison of compressional wave models. J Acoust Soc Am. 152 (2), 1003-1019 (2022).
  57. Pinton, G., et al. Attenuation, scattering, and absorption of ultrasound in the skull bone: Absorption of ultrasound in the skull bone. Med Phys. 39 (1), 299-307 (2011).
  58. Chaplin, V., et al. On the accuracy of optically tracked transducers for image-guided transcranial ultrasound. Int J Comput Assist Radiol Surg. 14 (8), 1317-1327 (2019).
  59. Wu, S. Y., et al. Efficient blood-brain barrier opening in primates with neuronavigation-guided ultrasound and real-time acoustic mapping. Sci Rep. 8 (1), 7978 (2018).

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Fairbanks, T., Zadeh, A. K., Raghuram, H., Coreas, A., Shrestha, S., Li, S., Pike, G. B., Girgis, F., Pichardo, S. Pipeline for Planning and Execution of Transcranial Ultrasound Neuromodulation Experiments in Humans. J. Vis. Exp. (208), e66972, doi:10.3791/66972 (2024).

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