Bu çalışma kısmen Kanada Doğa Bilimleri ve Mühendislik Araştırma Konseyi Keşif Hibesi, INNOVAIT programı, Cumming Tıbbi Araştırma Fonu, Kanada İnovasyon Vakfı (Proje 36703), Hotchkiss Beyin Enstitüsü CAPRI Hibesi ve Alberta Parkinson Derneği Fonu tarafından desteklenmiştir. GBP, Kanada Sağlık Araştırmaları Enstitüleri (FDN-143290) ve Campus Alberta Innovates Chair Programından destek almaktadır.

Yüksek Hassasiyetli TUS: Akustik ve Termal Simülasyonlar ile Planlama ve Uygulama

Yazarların beyan edebilecekleri herhangi bir çıkar çatışması yoktur.

Bu yöntemde, beyne TUS uygulaması sonucu ortaya çıkabilecek olası termal ve mekanik etkileri tahmin etmek ve değerlendirmek için deneğe özgü simülasyonlar yapılır. Yanlış bir tarama veya veri dosyası kullanmak yanlış simülasyonlara yol açacağından, katılımcılar arasındaki veri kümeleri ayrı kalmalı ve dikkatli bir şekilde belgelenmelidir. Çok sayıda katılımcı taraması toplandığında ve planlama birlikte gerçekleştirildiğinde, görüntülerin ve klasörlerin uygun şekilde etiketle...

Yaygın olarak kullanılan non-invaziv nörostimülasyon teknikleri arasında transkraniyal doğru akım stimülasyonu (tDCS) ve transkraniyal manyetik stimülasyon (TMS) bulunur. Bununla birlikte, her ikisi de sınırlı penetrasyon derinliğine ve düşük hassasiyetesahiptir 1,2. Buna karşılık, transkraniyal ultrason (TUS), nöronal aktiviteyi 3,4,5 artırabilen veya baskılayabilen ve kortikal veya subkortikal yapıları milimetre hassasiyetinde hedefleyebilen, gelişmekte olan invaziv olmayan bir tekniktir 6,7. Kemirgenler 4,8,9, tavşanlar10, koyunlar 5,11, domuzlar6 ve insan olmayan primatlar 7,12,13,14 kullanan hayvan modelleri TUS'un etkinliğini ve güvenliğini göstermiştir. Çalışmalar, çeşitli beyin bölgelerini hedeflemenin, sıçanlarda uzuv hareketlerini 8, domuzlarda somatosensoriyel uyarılmış potansiyelleri(SSEP'ler)6 ve insan olmayan primatlarda12 görsel-motor aktivitede, bilişsel ve motivasyonel karar vermede13 değişiklikleri ortaya çıkarabileceğini göstermiştir. İnsanlarda, TUS'un birincil motor korteksi 15,16 hedeflerken motor uyarılmış potansiyelleri (MEP'ler) ve bir reaksiyon süresi görevindeki performansı değiştirdiği ve somatosensoriyel korteks17 ve duyusal talamus18'i hedeflerken dokunsal bir ayrım görevinde ve SSEP'lerde performansı değiştirdiği gözlemlenmiştir. Histolojik analizler, domuz 6, koyun 5,11, tavşan10 ve insan olmayan primatlarda 14 TUS ile ilişkili brüt veya mikroskobik yapısal değişiklik göstermemiştir ve diğer non-invaziv nörostimülasyon tekniklerinden önemli ölçüde farklı hiçbir yan etki görülmemiştir19.
TUS, geçici bir nöromodülatör etki üretmek için 200 kHz ile 700 kHz arasındaki bir frekansta darbeli düşük yoğunluklu odaklanmış ultrason kullanır. Yerinde tipik uzamsal tepe nabız ortalama yoğunluğu (Isppa) 10 W/cm2 veya daha azdır ve bildirilen görev döngüleri (ultrasonun açık olduğu zamanın yüzdesi) insanlarda %0,5 ila %70 arasında değişmektedir 20,21,22,23,24. TUS nöromodülasyon mekanizmalarının esas olarak iyon kanallarınınaçılmasına yol açan lipid membranların mekanik ajitasyonunu içerdiği öne sürülmüş olsa da 25,26,27, olası termal ve kavitasyon etkileri göz ardı edilemez. Mekanik (MI) ve termal (TI) indeksler aracılığıyla değerlendirilirler. MI, TUS ile ortaya çıkacağı tahmin edilen kavitasyonla ilgili biyoetkileri tanımlarken, TI, ultrason uygulamasını takiben dokulardaki potansiyel sıcaklık artışını tanımlar28,29. Ayrıca, frekansın ve giriş yoğunluğunun değiştirilmesi de MI ve TI'nin değişmesine neden olur. Daha yüksek frekanslar daha iyi uzamsal çözünürlüğe sahiptir ve mekanik biyo-etki olasılığını azaltır; Bununla birlikte, dokuda daha güçlü emilime sahiptirler, bu da sıcaklık artışı potansiyelini artırır28. Alternatif olarak, aynı yoğunluktaki daha düşük frekanslar MI'yı arttırır. Benzer şekilde, yoğunluğun arttırılması, mekanik ve termal biyo-etkilerinbüyüklüğünü artırma eğilimindedir 30. Bu nedenle, uygulanacak tüm TUS parametreleri için deney oturumlarından önce dikkatli bir planlama ve simülasyon yapılması zorunludur.
Bir TUS deneyi planlamak, hedefin ve ilgilenilen yörüngenin tanımlanmasını ve termal ve akustik simülasyonların performansını gerektirir. Simülasyonlar, mekanik etkilerin optimize edilmesine ve TUS'un dokular üzerindeki termal etkilerinin azaltılmasına yardımcı olur. Kafatası ısınmasının, ultrasonun odak noktasındaki basınç genliğinin, odak düzeltmesinin ve kafatası ve cilt içindeki diğer ısıtmanın tahminini anlamayı gerektirirler. Yeterli simülasyon, odak noktasının ilgilenilen hedefe ulaşmasını sağlar ve FDA ve Health Canada tavsiyelerine dayanan Uluslararası Transkraniyal Ultrasonik Stimülasyon Güvenlik ve Standartlar Konsorsiyumu (ITRUSST)31 tarafından önerilen biyofiziksel güvenliğe ilişkin güvenlik kılavuzlarında belirtilen ultrason kullanımı için güvenlik parametreleri takip edilir. Son çalışmalar ayrıca hayvanlarda ve insanlarda TUS32,33,34'ün eşlik ettiği işitsel bir kafa karıştırıcı etkiyi vurgulamıştır, bu sayede TUS stimülasyonu beyindeki işitsel yolları aktive ederek yanıtlarıortaya çıkarabilir 32,33,34. Hayvanlarda bu etkileri azaltmak için işitme sinirlerinintranseksiyonu 32, koklear sıvınınçıkarılması 32 veya kemirgenlerde kimyasal sağırlık33 kullanılmıştır. İnsanlarda, kulaklıklar aracılığıyla işitsel bir tonun uygulanması, TUS'tan gelen işitsel gürültüyü etkili bir şekilde maskelemek için kullanılmıştır ve TUS'un neden olduğu işitsel aktivite karışıklığını kontrol etmek için kullanılmıştır34. Bu, protokol planlaması, tasarımı ve uygulamasına dahil edilmesi gereken sahte stimülasyon koşullarında işitsel gürültüyü kontrol etme ihtiyacını vurgulamaktadır.
Burada, insanlarda TUS nöromodülasyon deneyini gerçekleştirmek için gereken hazırlığın (adım 1, adım 2), planlamanın (adım 3), simülasyonların (adım 4) ve TUS teslimatının (adım 5) uygun şekilde nasıl tamamlanacağına dair bir kılavuz sunuyoruz.

<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

Transkraniyal ultrason stimülasyonu (TUS), hem kortikal hem de subkortikal yapıları yüksek hassasiyetle manipüle edebilen, gelişmekte olan non-invaziv bir nöromodülasyon tekniğidir. İnsanları içeren deneyler yapmak, akustik ve termal simülasyonların dikkatli bir şekilde planlanmasını gerektirir. Bu planlama, ultrason ışınının şekli ve yörüngesi ile kemik girişimini ayarlamak ve TUS parametrelerinin güvenlik gereksinimlerini karşıladığından emin olmak için gereklidir. T1 ve T2 ağırlıklı, 1 mm izotropik çözünürlüğe sahip sıfır zamanlı eko (ZTE) manyetik rezonans görüntüleme (MRI) taramaları ile birlikte, kafatası rekonstrüksiyonu ve simülasyonları için elde edilir (alternatif olarak bilgisayarlı tomografi x-ışını (BT) taramaları). Hedef ve yörünge haritalaması, bir nöronavigasyon platformu kullanılarak gerçekleştirilir. SimNIBS, kafatası, cilt ve beyin dokularının ilk segmentasyonu için kullanılır. TUS'un simülasyonu, akustik özelliklere dönüştürülecek kafatasının sentetik CT görüntülerini üretmek için ZTE taramasını kullanan BabelBrain aracıyla gerçekleştirilir. Elektrikli direksiyon özelliklerine sahip aşamalı dizili bir ultrason dönüştürücü kullanıyoruz. Z-direksiyon, hedef derinliğe ulaşılmasını sağlamak için ayarlanır. Planlama aracında diğer dönüştürücü konfigürasyonları da desteklenir. Termal simülasyonlar, FDA tarafından önerildiği gibi insan deneklerde TUS için sıcaklık ve mekanik indeks gereksinimlerinin akustik yönergeler dahilinde olmasını sağlamak için çalıştırılır. TUS teslimat seansları sırasında, mekanik bir kol, çerçevesiz bir stereotaktik lokalizasyon sistemi kullanarak dönüştürücünün gerekli konuma hareketine yardımcı olur.

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.

Yazar Spotlight: İnsan Beyni Modülasyonunu Geliştirme - Transkraniyal Ultrason Stimülasyon Deneyleri için Optimize Edilmiş Protokoller

İnsanlarda Transkraniyal Ultrason Nöromodülasyon Deneylerinin Planlanması ve Yürütülmesi için Boru Hattı

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.

Şekil 7, spesifik ultrason parametreleri (250 kHz'lik temel frekans, 120 s'lik sonikasyon süresi, 100 Hz'lik bir darbe tekrarlama frekansı (PRF),% 10'luk bir görev döngüsü ve 5 W/cm²'lik bir ISPPA) kullanan iki farklı katılımcıyı içeren çalışmalarımızdan 42 birinden karşılaştırmalı oturum örneklerini göstermektedir. Bu araştırmada, nörolojik olarak sağlıklı bireylerden 1 mm izotropik çözünürlüğe sahip T1-, T2-w ve ZTE M...

Transkraniyal ultrason stimülasyonu (TUS), akustik ve termal simülasyonların dikkatli bir şekilde planlanmasını gerektiren, gelişmekte olan bir non-invaziv nöromodülasyon tekniğidir. Metodoloji, insan TUS deneyleri için verimli, kullanıcı dostu, kolaylaştırılmış planlama için bir görüntü işleme ve ultrason simülasyon hattını tanımlar.

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

609 Görüntüleme.  University of Calgary. Araştırmamız, parametre özellikleri ve derin beyin yapılarını modüle etme yeteneği de dahil olmak üzere insanlarda ölçülebilir etkilere neden olmak için transkraniyal ultrason stimülasyonunun ayrıntılarını anlamayı amaçlamaktadır. Protokolümüz, insanlarda transkraniyal ultrason stimülasyon deneylerini tamamlamak için gereken planlama adımlarını kolaylaştırır. Verimlidir, kullanımı kolaydır ve açık kaynaklı erişilebilir p...