概要

経頭蓋超音波ニューロモデュレーション実験のヒトにおける計画と実行のためのパイプライン

Published: June 28, 2024
doi:

概要

経頭蓋超音波刺激法(TUS)は、音響シミュレーションと熱シミュレーションの慎重な計画を必要とする新しい非侵襲的神経調節技術です。この方法論は、ヒトTUS実験のための効率的でユーザーフレンドリーで合理化された計画のための画像処理および超音波シミュレーションパイプラインを説明しています。

Abstract

経頭蓋超音波刺激法(TUS)は、皮質構造と皮質下構造の両方を高精度で操作できる新しい非侵襲的神経調節技術です。人間が関与する実験を行うには、音響シミュレーションと熱シミュレーションを慎重に計画する必要があります。この計画は、超音波ビームの形状と軌道に対する骨の干渉を調整し、TUSパラメータが安全要件を満たしていることを確認するために不可欠です。T1 および T2 強調は、1 mm 等方性分解能のゼロタイムエコー (ZTE) 磁気共鳴画像法 (MRI) スキャンとともに取得されます (または、コンピューター断層撮影 X 線 (CT) スキャン) 頭蓋骨の再建とシミュレーションのために。ターゲットと軌道のマッピングは、ニューロナビゲーションプラットフォームを使用して実行されます。SimNIBSは、頭蓋骨、皮膚、および脳組織の初期セグメンテーションに使用されます。TUSのシミュレーションはBabelBrainツールで引き継がれ、ZTEスキャンを使用して頭蓋骨の合成CT画像を生成し、音響特性に変換します。電動ステアリング機能を備えたフェーズドアレイ超音波トランスデューサを使用しています。Zステアリングは、目標の深さに達するように調整されます。その他のトランスデューサ構成も計画ツールでサポートされています。熱シミュレーションは、温度と機械的指数の要件が、FDAが推奨するヒト被験者のTUSの音響ガイドライン内にあることを確認するために実行されます。TUSの送達セッション中、機械式アームは、フレームレス定位ローカリゼーションシステムを使用して、トランスデューサーを必要な位置まで移動させます。

Introduction

一般的に使用される非侵襲的神経刺激技術には、経頭蓋直流刺激(tDCS)と経頭蓋磁気刺激(TMS)が含まれます。ただし、どちらも貫通深さが限られており、精度1,2が低いです。対照的に、経頭蓋超音波(TUS)は、ニューロン活動増強または抑制し、ミリメートル精度で皮質または皮質下構造を標的とすることができる新しい非侵襲的技術です3,4,5げっ歯類4,8,9、ウサギ10、ヒツジ5,11、ブタ6、および非ヒト霊長類7,12,13,14を用いた動物モデルにより、TUSの有効性と安全性が示されている。研究によると、ラットではさまざまな脳領域を標的とすると、ラットでは四肢の動き8、ブタでは体性感覚誘発電位(SSEP)6、ヒト以外の霊長類では視覚運動活動12、認知的および動機付けの意思決定13の変化が引き起こされることが実証されています。ヒトでは、TUSは、一次運動野15,16を標的とすると反応時間課題の運動誘発電位(MEPs)とパフォーマンスを変化させ、体性感覚皮質17と感覚視床18を標的とすると、触覚識別タスクとSSEPSのパフォーマンスを変化させることが観察されている。組織学的解析では、ブタ6、ヒツジ5,11、ウサギ10、および非ヒト霊長類14において、TUSに関連する肉眼的または微視的な構造変化は明らかにされておらず、他の非侵襲的神経刺激技術19と有意に異なる副作用は見られなかった。

TUSは、200 kHz〜700 kHzの周波数でパルス低強度集束超音波を使用して、一時的な神経調節効果を生み出します。典型的な空間ピークパルス平均強度(Isppa)は、その場で10 W / cm2以下であり、報告されているデューティサイクル(超音波がオンの時間の割合)は、ヒトで0.5%から70%の範囲です20,21,22,23,24。TUSニューロモデュレーションのメカニズムは、主にイオンチャネル25,26,27の開口につながる脂質膜の機械的攪拌を含むと提案されているが、可能な熱およびキャビテーションの影響を無視することはできない。これらは、機械的(MI)および熱(TI)インデックスによって評価されます。MIは、TUSで発生する予測されるキャビテーション関連の生体影響を説明し、一方、TIは、超音波適用後の組織内の潜在的な温度上昇を記述します28,29。さらに、周波数と入力強度を変更すると、MIとTIも変化します。周波数が高いほど、空間分解能が高くなり、機械的な生体効果の可能性が低くなります。しかし、それらは組織内でより強く吸収され、それが温度上昇の可能性を高める28。あるいは、同じ強度で周波数が低いほど、MIが増加します。同様に、強度を増大させると、機械的および熱的生体効果30の大きさが増加する傾向がある。したがって、実装されるすべてのTUSパラメータについて、実験セッションの前に慎重な計画とシミュレーションを実行することが不可欠です。

TUSの実験を計画するには、対象のターゲットと軌道の特定、および熱シミュレーションと音響シミュレーションの性能が必要です。シミュレーションは、機械的影響を最適化し、TUSの組織に対する熱影響を軽減するのに役立ちます。彼らは、頭蓋骨の加熱、焦点での超音波の圧力振幅、焦点補正、および頭蓋骨と皮膚内の他の加熱の予測を理解する必要があります。適切なシミュレーションにより、焦点が関心の対象に到達することが保証され、FDAおよびカナダ保健省の推奨事項に基づく国際経頭蓋超音波刺激安全性基準コンソーシアム(ITRUSST)31によって推奨されている生物物理学的安全性に関する安全ガイドラインによって設定された超音波使用の安全性パラメータが守られます。最近の研究では、動物やヒトにおけるTUS 32,33,34を伴う聴覚交絡効果も強調されており、TUS刺激は脳内の聴覚経路を活性化して反応を誘発することができる32,33,34。動物におけるこれらの影響を減少させるために、齧歯類における聴覚神経32の切断、蝸牛液32の除去、または化学的難聴33が用いられてきた。ヒトでは、ヘッドフォンを介して聴覚トーンを投与することで、TUSからの聴覚ノイズを効果的にマスクし、TUSによって引き起こされる聴覚活動の交絡を制御しています34。このことは、偽刺激条件での聴覚ノイズを制御する必要性を浮き彫りにしており、これをプロトコルの計画、設計、および実装に組み込む必要があります。

ここでは、ヒトでTUS神経調節実験を行うために必要な準備(ステップ1、ステップ2)、計画(ステップ3)、シミュレーション(ステップ4)、TUS送達(ステップ5)を適切に完了するためのガイドを提供します。

Protocol

ヒトを対象とするすべての方法は、Tri-Council Ethical Conduct for Research Involving Humansに準拠して実施され、プロトコルはカルガリー大学のConjoint Health Research Ethics Board(CHREB)によって承認されました。すべての被験者は、参加前に書面によるインフォームドコンセントを提供しました。人間の参加者は、18歳から40歳までの健康な右利きの成人であり、磁気共鳴画像法(MRI)スキャンを完了する意思と能?…

Representative Results

図7は、特定の超音波パラメータ(基本周波数250kHz、超音波処理持続時間120秒、パルス繰り返し周波数(PRF)100Hz、デューティサイクル10%、ISPPA5W/cm²)を使用する2つの異なる参加者を特徴とする、我々の研究42の1つからの比較セッションサンプルを示しています。本研究では、神経学的に健康な被験者から、1mmの等方性分解能のT1-、T2-w、およびZTEのMR…

Discussion

この手法では、被験者固有のシミュレーションを行い、TUSの脳への適用から生じる可能性のある熱的および機械的影響を予測および評価します。参加者間のデータセットは、誤ったスキャンやデータファイルを使用すると不正確なシミュレーションにつながるため、別々に慎重に文書化する必要があります。多数の参加者スキャンが収集され、計画が一緒に実行される場合は、画像とフォル?…

開示

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

この研究は、カナダ自然科学工学研究評議会ディスカバリー助成金、INNOVAITプログラム、カミング医学研究基金、カナダイノベーション財団(プロジェクト36703)、ホッチキス脳研究所CAPRI助成金、およびアルバータ州パーキンソン協会の資金提供によって部分的に支援されました。GBPは、カナダ保健研究所(FDN-143290)およびキャンパスアルバータイノベーションチェアプログラムからの支援を認めています。

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

参考文献

  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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記事を引用
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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