Questo lavoro è stato in parte sostenuto da un Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada Discovery Grant, dal programma INNOVAIT, dal Cumming Medical Research Fund, dalla Canada Foundation for Innovation (Project 36703), dall'Hotchkiss Brain Institute CAPRI Grant e dal Parkinson Association of Alberta Funding. GBP riconosce il sostegno degli Istituti canadesi per la ricerca sanitaria (FDN-143290) e del programma di cattedra Campus Alberta Innovates.

TUS ad alta precisione: pianificazione ed esecuzione con simulazioni acustiche e termiche

Gli autori non hanno conflitti di interesse da dichiarare.

In questo metodo, vengono eseguite simulazioni specifiche per soggetto per prevedere e valutare i possibili effetti termici e meccanici derivanti dall'applicazione della TUS al cervello. I set di dati tra i partecipanti devono rimanere separati e accuratamente documentati, poiché l'utilizzo di una scansione o di un file di dati errati porterà a simulazioni imprecise. Quando vengono raccolte numerose scansioni dei partecipanti e la pianificazione viene eseguita insieme, è importante garantire un'etichettatura corretta ...

Le tecniche di neurostimolazione non invasiva comunemente utilizzate includono la stimolazione transcranica a corrente continua (tDCS) e la stimolazione magnetica transcranica (TMS). Tuttavia, entrambi hanno una profondità di penetrazione limitata e una bassa precisione 1,2. Al contrario, l'ecografia transcranica (TUS) è una tecnica emergente non invasiva in grado di aumentare o sopprimere l'attività neuronale 3,4,5 e di colpire le strutture corticali o sottocorticali con precisione millimetrica 6,7. I modelli animali che utilizzano roditori 4,8,9, conigli10, pecore 5,11, suini6 e primati non umani 7,12,13,14 hanno dimostrato l'efficacia e la sicurezza della TUS. Gli studi hanno dimostrato che il targeting di varie regioni del cervello può suscitare movimenti degli arti8 nei ratti, potenziali evocati somatosensoriali (SSEP) nei suini6 e cambiamenti nell'attività visuomotoria12, nel processo decisionale cognitivo e motivazionale nei primati non umani13 tra gli altri cambiamenti nel comportamento. Nell'uomo, è stato osservato che la TUS modifica i potenziali evocati motori (MEP) e le prestazioni in un compito con tempo di reazione quando prende di mira la corteccia motoria primaria15,16 e altera le prestazioni in un compito di discriminazione tattile e SSEP quando prende di mira la corteccia somatosensoriale17 e il talamo sensoriale18. Le analisi istologiche non hanno rivelato cambiamenti strutturali macroscopici o microscopici associati alla TUS nei suini6, nelle pecore 5,11, nei conigli10 e nei primati non umani14 e non sono stati osservati effetti collaterali che differiscano significativamente da altre tecniche di neurostimolazione non invasiva19.
La TUS utilizza ultrasuoni focalizzati pulsati a bassa intensità a una frequenza compresa tra 200 kHz e 700 kHz per produrre un effetto neuromodulatorio transitorio. L'intensità media tipica dell'impulso di picco spaziale (Isppa) in situ è di 10 W/cm2 o inferiore, con cicli di lavoro riportati (percentuale di tempo in cui gli ultrasuoni sono attivi) che variano dallo 0,5% al 70% negli esseri umani 20,21,22,23,24. Sebbene sia stato proposto che i meccanismi della neuromodulazione TUS coinvolgano principalmente l'agitazione meccanica delle membrane lipidiche che porta all'apertura dei canali ionici 25,26,27, i possibili effetti termici e di cavitazione non possono essere ignorati. Vengono valutati attraverso indici meccanici (MI) e termici (TI). L'MI descrive gli effetti biologici previsti correlati alla cavitazione che si verificheranno con la TUS, mentre l'TI descrive il potenziale aumento della temperatura all'interno dei tessuti dopo l'applicazione degli ultrasuoni28,29. Inoltre, la modifica della frequenza e dell'intensità di ingresso provoca anche il cambiamento di MI e TI. Frequenze più alte hanno una migliore risoluzione spaziale e diminuiscono la probabilità di bio-effetti meccanici; Tuttavia, hanno un assorbimento più forte nel tessuto, che aumenta il potenziale di aumento della temperatura28. In alternativa, frequenze più basse alla stessa intensità aumentano il MI. Allo stesso modo, l'aumento dell'intensità tende ad aumentare l'entità dei bio-effetti meccanici e termici30. È quindi imperativo che venga eseguita un'attenta pianificazione e simulazione prima delle sessioni di sperimentazione per tutti i parametri TUS che verranno implementati.
La pianificazione di un esperimento TUS richiede l'identificazione del target e della traiettoria di interesse e l'esecuzione di simulazioni termiche e acustiche. Le simulazioni aiutano a ottimizzare gli effetti meccanici e a mitigare gli effetti termici della TUS sui tessuti. Richiedono la comprensione della previsione del riscaldamento del cranio, dell'ampiezza della pressione degli ultrasuoni nel punto focale, della correzione focale e di altri riscaldamenti all'interno del cranio e della pelle. Un'adeguata simulazione garantisce che il punto focale raggiunga l'obiettivo di interesse e che vengano seguiti i parametri di sicurezza per l'uso degli ultrasuoni stabiliti dalle linee guida di sicurezza sulla sicurezza biofisica raccomandate dall'International Transcranial Ultrasonic Stimulation Safety and Standards Consortium (ITRUSST)31, che si basano sulle raccomandazioni della FDA e di Health Canada. Studi recenti hanno anche evidenziato un effetto confondente uditivo accompagnato da TUS 32,33,34 negli animali e nell'uomo, per cui la stimolazione TUS può attivare percorsi uditivi nel cervello per suscitare risposte 32,33,34. La transezione dei nervi uditivi32, la rimozione del liquido cocleare32 o la sordità chimica33 nei roditori sono state impiegate per diminuire questi effetti negli animali. Negli esseri umani, la somministrazione di un tono uditivo attraverso le cuffie è stata utilizzata per mascherare efficacemente il rumore uditivo dalla TUS, controllando l'attività uditiva indotta dalla TUS34. Ciò evidenzia la necessità di controllare il rumore uditivo in condizioni di stimolazione fittizia, che deve essere incorporato nella pianificazione, progettazione e implementazione del protocollo.
Qui, presentiamo una guida su come completare in modo appropriato la preparazione (fase 1, fase 2), la pianificazione (fase 3), le simulazioni (fase 4) e la somministrazione di TUS (fase 5) necessarie per eseguire l'esperimento di neuromodulazione TUS negli esseri umani.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>128-channel amplifier unit</td>
			<td>Image Guided Therapy</td>
			<td></td>
			<td>This unit drives the H-317 transducer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>24-channel head coil</td>
			<td>General Electric</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3D printer</td>
			<td>Raise3D</td>
			<td>Pro2</td>
			<td>Filament thickness of 1.75mm.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3T MRI scanner</td>
			<td>General Electric</td>
			<td>Discovery 750 HD</td>
			<td>MR Console version DV26.0_R05_2008</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>BabelBrain</td>
			<td>Samuel Pichardo (University of Calgary)</td>
			<td>Version 0.3.0</td>
			<td>Accessible at https://github.com/ProteusMRIgHIFU/BabelBrain. Executes thermal and acoustic simulations.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Blender</td>
			<td>Blender Foundation</td>
			<td>Version 3.4.1</td>
			<td>Accessible at https://www.blender.org. Blender is called automatically by BabelBrain.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Brainsight</td>
			<td>Rogue Research</td>
			<td>Version 2.5.2</td>
			<td>Used for target identification, trajectory planning, and execution of TUS delivery sessions.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Chair and chin/head holder</td>
			<td>Rogue Research</td>
			<td></td>
			<td>To be used during TUS delivery session to ensure stability of participant&#8217;s head for optimized targeting.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Custom-made coupling cone</td>
			<td>University of Calgary team</td>
			<td></td>
			<td>3D printed cone in acrylonitrile butadiene styrene (ABS), only required for H-317 transducer.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>dcm2niix</td>
			<td>Chris Rorden (University of South Carolina)&#160;</td>
			<td>Version 1.0.20220720</td>
			<td>Accessible at https://github.com/rordenlab/dcm2niix/releases. Used for pre-processing subject MR images.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fiducials and headband or glasses</td>
			<td>Brainsight, Rogue Research&#160;</td>
			<td>ST-1325 (subject tracker), LCT-583 (large coil tracker)</td>
			<td>Headband or glasses can be interchangeably used.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Headphones</td>
			<td>Beats</td>
			<td>Fit Pro True Wireless Earbuds</td>
			<td>Wireless Bluetooth earbuds with disposable tips.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MacBookPro</td>
			<td>Apple</td>
			<td>M2 Max, 16&#8221;, 64GB RAM</td>
			<td>Computer for completing trajectory planning and simulations</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SimNIBS</td>
			<td>Axel Thielscher (Technical University of Denmark)</td>
			<td>Version 4.0.0</td>
			<td>Accessible at https://simnibs.github.io/simnibs/build/html.index.html</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe(s)</td>
			<td></td>
			<td>10 mL, 60 mL</td>
			<td>Used to add additional ultrasound gel to fill air pockets.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Transducer</td>
			<td>Sonicconcepts</td>
			<td>H-317</td>
			<td>Other supported transducers include CTX_500 (NeuroFUS, Sonicconcepts), Single element, H-246 (Sonicconcepts), and Bsonix (Brainsonix)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Transducer film</td>
			<td>Sonicconcepts</td>
			<td>Polyurethane membrane</td>
			<td>Interface between transducer and the subject</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultrasound gel</td>
			<td>Wavelength</td>
			<td>Clear Ultrasound Gel</td>
			<td>Coupling medium.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Windows Laptop</td>
			<td>Acer</td>
			<td>Aspire A717-71G, Intel Core i7-7700HQ, 16 GB RAM</td>
			<td>System used to control 128-channel amplifier and generate sound through the headphones</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

pipeline for planning and execution of transcranial ultrasound neuromodulation experiments in humans

La stimolazione ecografica transcranica (TUS) è una tecnica emergente di neuromodulazione non invasiva in grado di manipolare con elevata precisione sia le strutture corticali che quelle sottocorticali. La conduzione di esperimenti che coinvolgono l'uomo richiede un'attenta pianificazione delle simulazioni acustiche e termiche. Questa pianificazione è essenziale per regolare l'interferenza ossea con la forma e la traiettoria del fascio di ultrasuoni e per garantire che i parametri TUS soddisfino i requisiti di sicurezza. Vengono acquisite scansioni di risonanza magnetica (MRI) pesate in T1 e T2, insieme a risonanza magnetica (MRI) con eco a tempo zero (ZTE) con risoluzione isotropa di 1 mm, per la ricostruzione e le simulazioni del cranio. La mappatura del bersaglio e della traiettoria viene eseguita utilizzando una piattaforma di neuronavigazione. SimNIBS viene utilizzato per la segmentazione iniziale del cranio, della pelle e dei tessuti cerebrali. La simulazione della TUS viene proseguita con lo strumento BabelBrain, che utilizza la scansione ZTE per produrre immagini TC sintetiche del cranio da convertire in proprietà acustiche. Utilizziamo un trasduttore a ultrasuoni phased array con capacità di orientamento elettrico. Lo sterzo a Z viene regolato per garantire il raggiungimento della profondità desiderata. Nello strumento di pianificazione sono supportate anche altre configurazioni del trasduttore. Le simulazioni termiche vengono eseguite per garantire che i requisiti di temperatura e indice meccanico rientrino nelle linee guida acustiche per la TUS nei soggetti umani, come raccomandato dalla FDA. Durante le sessioni di consegna TUS, un braccio meccanico assiste nel movimento del trasduttore verso la posizione richiesta utilizzando un sistema di localizzazione stereotassica frameless.

Commonly used non-invasive neurostimulation techniques include transcranial direct current stimulation (tDCS) and transcranial magnetic stimulation (TMS). However, both have limited penetration depth and low precision1,2. By contrast, transcranial ultrasound (TUS) is an emerging non-invasive technique capable of enhancing or suppressing neuronal activity3,4,5 and targeting cortical or subcortical structures at millimeter precision6,7. Animal models using rodents4,8,9, rabbits10, sheep5,11, swine6, and nonhuman primates7,12,13,14 have shown the efficacy and safety of TUS. Studies have demonstrated that targeting various brain regions can elicit limb movements8 in rats, somatosensory evoked potentials (SSEPs) in swine6, and changes in visuomotor activity12, cognitive, and motivational decision-making in nonhuman primates13 among other changes in behavior. In humans, TUS has been observed to change motor evoked potentials (MEPs)&#160;and performance on a reaction time task when targeting the primary motor cortex15,16 and altered performance on a tactile discrimination task and SSEPs when targeting the somatosensory cortex17 and sensory thalamus18. Histological analyses have revealed no gross or microscopic structural changes associated with TUS in swine6, sheep5,11, rabbits10, and nonhuman primates14, and no side effects have been seen that significantly differ from other non-invasive neurostimulation techniques19.
TUS uses pulsed low-intensity focused ultrasound at a frequency between 200 kHz and 700 kHz to produce a transient neuromodulatory effect. The typical spatial-peak pulse-average intensity (Isppa) in situ is 10 W/cm2 or less, with reported duty cycles (percentage of time when ultrasound is on) ranging from 0.5% to 70% in humans20,21,22,23,24. Although the mechanisms of TUS neuromodulation have been proposed to mainly involve mechanical agitation of lipid membranes leading to the opening of ion channels25,26,27, possible thermal and cavitation effects cannot be ignored. They are assessed through mechanical (MI) and thermal (TI) indices. The MI describes the predicted cavitation-related bioeffects that will occur with TUS, whereas the TI describes the potential temperature increase within tissues following ultrasound application28,29. Furthermore, changing the frequency and input intensity also causes the MI and TI to change. Higher frequencies have better spatial resolution and decrease the probability of mechanical bio-effects; however, they have stronger absorption in the tissue, which increases the potential for temperature rise28. Alternatively, lower frequencies at the same intensity increase the MI. Similarly, increasing the intensity tends to increase the magnitude of mechanical and thermal bio-effects30. It is, therefore, imperative that careful planning and simulation be performed before experimentation sessions for all TUS parameters that will be implemented.
Planning a TUS experiment requires the identification of the target and trajectory of interest and the performance of thermal and acoustic simulations. Simulations assist in optimizing mechanical effects and mitigating the thermal effects of TUS on tissues. They require understanding the prediction of skull heating, pressure amplitude of the ultrasound at the focal point, focal correction, and other heating within the skull and skin. Adequate simulation ensures the focal point will reach the target of interest and safety parameters for ultrasound use set out by the safety guidelines on biophysical safety as recommended by the International Transcranial Ultrasonic Stimulation Safety and Standards Consortium (ITRUSST)31, which are based on FDA and Health Canada recommendations, are followed. Recent studies have also highlighted an auditory confounding effect accompanied by TUS32,33,34 in animals and humans, whereby TUS stimulation can activate auditory pathways in the brain to elicit responses32,33,34. Transection of the auditory nerves32, removal of cochlear fluid32, or chemical deafness33 in rodents have been employed to diminish these effects in animals. In humans, administering an auditory tone through headphones has been used to effectively mask auditory noise from TUS, controlling for the TUS-induced auditory activity confound34. This highlights the need to control for auditory noise in sham stimulation conditions, which must be incorporated into protocol planning, design, and implementation.
Here, we present a guide on how to appropriately complete the preparation (step 1, step 2), planning (step 3), simulations (step 4), and TUS delivery (step 5) required to perform TUS neuromodulation experiment in humans.

Autore in primo piano: Avanzamento della modulazione del cervello umano - Protocolli ottimizzati per esperimenti di stimolazione ecografica transcranica

Pipeline per la pianificazione e l'esecuzione di esperimenti di neuromodulazione ecografica transcranica nell'uomo

Our research aims to understand the details of transcranial ultrasound stimulation to cause measurable effects in humans, including parameter specifications and its ability to modulate deep brain structures. Our protocol streamlines the planning steps required to complete transcranial ultrasound stimulation experiments in humans. It is efficient, easy to use, and involves using open source accessible planning tools.Our recent findings have shed light on the effect of optimal parameter selection in transcranial ultrasound stimulation to achieve neuronal inhibition. This will help in developing and designing future experiments in humans, significantly contributing to our understanding and advancement of this technology.

La Figura 7 illustra campioni di sessioni comparative di uno dei nostri studi42, con due partecipanti distinti che utilizzano parametri ultrasonici specifici (frequenza fondamentale di 250 kHz, durata della sonicazione di 120 s, frequenza di ripetizione dell'impulso (PRF) di 100 Hz, ciclo di lavoro del 10% eSPPA I di 5 W/cm²). In questa ricerca, le scansioni MRI T1-, T2-w e ZTE con risoluzione isotropa di 1 mm sono state ottenute da soggetti neurologicamen...

La stimolazione ecografica transcranica (TUS) è una tecnica emergente di neuromodulazione non invasiva che richiede un'attenta pianificazione delle simulazioni acustiche e termiche. La metodologia descrive una pipeline di elaborazione delle immagini e simulazione ecografica per una pianificazione efficiente, facile da usare e semplificata per la sperimentazione TUS umana.

Transcranial ultrasound stimulation (TUS) is an emerging non-invasive neuromodulation technique capable of manipulating both cortical and subcortical ...

pipeline-for-planning-execution-transcranial-ultrasound

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Pipeline for Planning and Execution of Transcranial Ultrasound Neuromodulation Experiments in Humans

598 Views.  University of Calgary. La nostra ricerca mira a comprendere i dettagli della stimolazione ecografica transcranica per causare effetti misurabili nell'uomo, comprese le specifiche dei parametri e la sua capacità di modulare le strutture cerebrali profonde. Il nostro protocollo semplifica le fasi di pianificazione necessarie per completare gli esperimenti di stimolazione ecografica transcranica nell'uomo. È efficiente, facile da usare e prevede l'utilizzo di strumenti di pianificaz...

Video: Autore in primo piano: Avanzamento della modulazione del cervello umano - Protocolli ottimizzati per esperimenti di stimolazione ecografica transcranica