Este trabalho foi apoiado em parte por um Conselho de Pesquisa em Ciências Naturais e Engenharia do Canadá Discovery Grant, o programa INNOVAIT, o Cumming Medical Research Fund, a Fundação Canadense para Inovação (Projeto 36703), o Hotchkiss Brain Institute CAPRI Grant e o Parkinson Association of Alberta Funding. A GBP reconhece o apoio dos Institutos Canadenses de Pesquisa em Saúde (FDN-143290) e do Programa de Cátedra Inova do Campus Alberta.

TUS de alta precisão: planejamento e execução com simulações acústicas e térmicas

Os autores não têm conflitos de interesse a declarar.

Neste método, simulações específicas do assunto são realizadas para prever e avaliar possíveis efeitos térmicos e mecânicos resultantes da aplicação de UST no cérebro. Os conjuntos de dados entre os participantes devem permanecer separados e cuidadosamente documentados, pois o uso de uma varredura ou arquivo de dados incorreto levará a simulações imprecisas. Quando várias digitalizações de participantes são coletadas e o planejamento é realizado em conjunto, é importante garantir a rotulagem adequada ...

As técnicas de neuroestimulação não invasivas comumente usadas incluem estimulação transcraniana por corrente contínua (ETCC) e estimulação magnética transcraniana (EMT). No entanto, ambos têm profundidade de penetração limitada e baixa precisão 1,2. Por outro lado, o ultrassom transcraniano (UST) é uma técnica não invasiva emergente capaz de aumentar ou suprimir a atividade neuronal 3,4,5 e direcionar estruturas corticais ou subcorticais com precisão milimétrica 6,7. Modelos animais usando roedores 4,8,9, coelhos10, ovelhas5,11, suínos6 e primatas não humanos 7,12,13,14 mostraram a eficácia e segurança do UST. Estudos demonstraram que o direcionamento de várias regiões do cérebro pode provocar movimentos dos membros8 em ratos, potenciais evocados somatossensoriais (SSEPs) em suínos6 e mudanças na atividade visuomotora12, tomada de decisão cognitiva e motivacional em primatas não humanos13 entre outras mudanças no comportamento. Em humanos, observou-se que o UST altera os potenciais evocados motores (MEPs) e o desempenho em uma tarefa de tempo de reação ao atingir o córtex motor primário15,16 e o desempenho alterado em uma tarefa de discriminação tátil e SSEPs ao atingir o córtex somatossensorial17 e o tálamo sensorial18. As análises histológicas não revelaram alterações estruturais macroscópicas ou microscópicas associadas ao UST em suínos6, ovelhas 5,11, coelhos10 e primatas não humanos14, e não foram observados efeitos colaterais que diferissem significativamente de outras técnicas de neuroestimulação não invasivas19.
O TUS usa ultrassom focalizado pulsado de baixa intensidade a uma frequência entre 200 kHz e 700 kHz para produzir um efeito neuromodulador transitório. A intensidade média típica do pulso de pico espacial (Isppa) in situ é de 10 W / cm2 ou menos, com ciclos de trabalho relatados (porcentagem de tempo em que o ultrassom está ligado) variando de 0,5% a 70% em humanos 20,21,22,23,24. Embora os mecanismos da neuromodulação do UST tenham sido propostos como envolvendo principalmente a agitação mecânica das membranas lipídicas levando à abertura dos canais iônicos25 , 26 , 27 , possíveis efeitos térmicos e de cavitação não podem ser ignorados. Eles são avaliados por meio de índices mecânicos (MI) e térmicos (TI). O IM descreve os bioefeitos previstos relacionados à cavitação que ocorrerão com o UST, enquanto o TI descreve o aumento potencial da temperatura dentro dos tecidos após a aplicação de ultrassom28,29. Além disso, alterar a frequência e a intensidade de entrada também faz com que o MI e o TI mudem. Frequências mais altas têm melhor resolução espacial e diminuem a probabilidade de bioefeitos mecânicos; no entanto, eles têm maior absorção no tecido, o que aumenta o potencial de aumento de temperatura28. Alternativamente, frequências mais baixas na mesma intensidade aumentam o IM. Da mesma forma, o aumento da intensidade tende a aumentar a magnitude dos bioefeitos mecânicos e térmicos30. É, portanto, imperativo que um planejamento e simulação cuidadosos sejam realizados antes das sessões de experimentação para todos os parâmetros do TUS que serão implementados.
O planejamento de um experimento de TUS requer a identificação do alvo e da trajetória de interesse e a realização de simulações térmicas e acústicas. As simulações auxiliam na otimização dos efeitos mecânicos e na mitigação dos efeitos térmicos do UST nos tecidos. Eles exigem a compreensão da previsão do aquecimento do crânio, amplitude de pressão do ultrassom no ponto focal, correção focal e outros aquecimentos dentro do crânio e da pele. A simulação adequada garante que o ponto focal atinja o alvo de interesse e os parâmetros de segurança para uso de ultrassom estabelecidos pelas diretrizes de segurança biofísica, conforme recomendado pelo International Transcranial Ultrasonic Stimulation Safety and Standards Consortium (ITRUSST)31, que são baseados nas recomendações da FDA e da Health Canada, são seguidos. Estudos recentes também destacaram um efeito de confusão auditiva acompanhado por UST 32,33,34 em animais e humanos, pelo qual a estimulação do UST pode ativar vias auditivas no cérebro para provocar respostas 32,33,34. A transecção dos nervos auditivos32, a remoção do líquido coclear32 ou a surdez química33 em roedores têm sido empregadas para diminuir esses efeitos em animais. Em humanos, a administração de um tom auditivo por meio de fones de ouvido tem sido usada para mascarar efetivamente o ruído auditivo do UST, controlando o confundimento da atividade auditiva induzida pelo UST34. Isso destaca a necessidade de controlar o ruído auditivo em condições de estimulação simulada, que deve ser incorporada ao planejamento, design e implementação do protocolo.
Aqui, apresentamos um guia sobre como concluir adequadamente a preparação (etapa 1, etapa 2), planejamento (etapa 3), simulações (etapa 4) e entrega de TUS (etapa 5) necessários para realizar o experimento de neuromodulação de TUS em humanos.

<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

A estimulação ultrassônica transcraniana (UST) é uma técnica emergente de neuromodulação não invasiva capaz de manipular estruturas corticais e subcorticais com alta precisão. A realização de experimentos envolvendo humanos requer um planejamento cuidadoso de simulações acústicas e térmicas. Esse planejamento é essencial para ajustar a interferência óssea na forma e trajetória do feixe de ultrassom e para garantir que os parâmetros do UST atendam aos requisitos de segurança. As imagens de ressonância magnética (RM) ponderadas em T1 e T2, juntamente com a ressonância magnética (MRI) com eco em tempo zero (ZTE) com resolução isotrópica de 1 mm, são adquiridas (alternativamente tomografia computadorizada (TC)) para reconstrução e simulações do crânio. O mapeamento de alvos e trajetórias é realizado usando uma plataforma de neuronavegação. O SimNIBS é usado para a segmentação inicial do crânio, pele e tecidos cerebrais. A simulação do UST é realizada com a ferramenta BabelBrain, que usa a varredura ZTE para produzir imagens sintéticas de TC do crânio para serem convertidas em propriedades acústicas. Usamos um transdutor de ultrassom Phased Array com recursos de direção elétrica. A direção Z é ajustada para garantir que a profundidade desejada seja alcançada. Outras configurações de transdutor também são suportadas na ferramenta de planejamento. As simulações térmicas são executadas para garantir que os requisitos de temperatura e índice mecânico estejam dentro das diretrizes acústicas para UST em seres humanos, conforme recomendado pelo FDA. Durante as sessões de entrega do TUS, um braço mecânico auxilia no movimento do transdutor para o local necessário usando um sistema de localização estereotáxica sem moldura.

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.

Autor em destaque: Avançando a modulação do cérebro humano - protocolos otimizados para experimentos de estimulação por ultrassom transcraniano

Pipeline para Planejamento e Execução de Experimentos de Neuromodulação por Ultrassom Transcraniano em Humanos

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.

A Figura 7 ilustra amostras comparativas de sessões de um de nossos estudos42, apresentando dois participantes distintos empregando parâmetros específicos de ultrassom (frequência fundamental de 250 kHz, duração da sonicação de 120 s, frequência de repetição de pulso (PRF) de 100 Hz, ciclo de trabalho de 10% eSPPA I de 5 W/cm²). Nesta pesquisa, exames de ressonância magnética T1-, T2-w e ZTE com resolução isotrópica de 1 mm foram obtidos de...

A estimulação ultrassônica transcraniana (UST) é uma técnica emergente de neuromodulação não invasiva que requer um planejamento cuidadoso de simulações acústicas e térmicas. A metodologia descreve um pipeline de processamento de imagem e simulação de ultrassom para um planejamento eficiente, fácil de usar e simplificado para experimentação de TUS humano.

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

602 visualizações.  University of Calgary. Nossa pesquisa visa entender os detalhes da estimulação ultrassônica transcraniana para causar efeitos mensuráveis em humanos, incluindo especificações de parâmetros e sua capacidade de modular estruturas cerebrais profundas. Nosso protocolo agiliza as etapas de planejamento necessárias para concluir experimentos de estimulação por ultrassom transcraniano em humanos. É eficiente, fácil de usar e envolve o uso de ferramentas de planejamento acessí...