人类经颅超声神经调控实验的设计与实施流程
2024年6月28日
经颅超声刺激（TUS）是一种新兴的非侵入性神经调控技术，需要对声学和热效应进行 careful 规划。该方法描述了一种图像处理与超声模拟流程，可高效、便捷、简化地为人类经颅超声刺激实验提供实验前规划支持。
我们的研究旨在深入了解经颅超声刺激在人体中产生可测量效应的详细机制，包括参数设定及其调节深部脑结构的能力。本方案简化了完成人体经颅超声刺激实验所需的规划步骤，具有高效、易用的特点，并采用开源且易于获取的规划工具。
我们最近的研究结果揭示了经颅超声刺激中最佳参数选择对实现神经元抑制的影响。这将有助于设计和开展未来的人体实验，显著推动我们对这项技术的理解与进步。在完成高分辨率磁共振成像后，使用 dcm2niix 工具将 T1 加权、T2 加权和零回波时间（Zero Time Echo）的 DICOM 扫描文件从 DICOM 格式转换为 NIFTI 格式。
使用 SimNIBS charm 工具，执行配准和组织掩膜提取。接着打开 Braighsight，点击“新建空白项目”，并加载受试者的 T1 加权 NIFTI 图像。
单击“重建”选项卡，然后点击“新建重建”下拉菜单。在新窗口中，依次点击“皮肤”和“计算皮肤”。
完成后，点击窗口左上角的“关闭”按钮。在“重建”选项卡中，点击“新建重建”下拉菜单，然后选择“全脑曲线重建”。接着通过拖动绿色框的边缘，在矢状面、冠状面和横断面上调整其位置，使其紧密包围整个脑部。
滚动查看所有切片，确保无组织边缘重叠。单击“计算曲线”（Compute Curvilinear），并将剥离深度（Peel depth）调整为四毫米。然后在 Brainsight 中单击“标记点”（Landmarks）选项卡，接着单击“配置标记点”（Configure Landmarks）。
将十字准线置于鼻尖处，在“名称”字段中将该解剖标志标记为 Nose。然后将十字准线置于鼻梁上方两眼之间的位置，将该解剖标志标记为 Nasion。接着将十字准线置于左耳处，将该解剖标志标记为 L Ear。
然后将十字光标置于右耳位置，并标记该解剖标志为 R Ear。随后，点击 Targets 选项卡，再点击 Configure Targets。将十字光标置于目标位置，并使用屏幕右侧的角度切换按钮设置轨迹角度。
选择所需的目标和轨迹后，点击新的下拉菜单并选择“轨迹”。要为目标命名，请在“名称”旁边的文本框中输入名称。点击“导出”以导出目标，并将其保存到相应的受试者文件夹中。
打开 BabelBrain，选择进行声学和热学模拟所需的文件。要选择先前从 Brainsight 导出的文本文件，请点击“选择轨迹”（Select Trajectory），然后选择相应的受试者文件。点击“选择 SimNIBS”（Select SimNIBS）以选择之前创建的 SimNIBS 文件。
单击选择 T1W，然后选择先前用于靶点和轨迹定位的 T1 加权图像。现在选择 real CT 以使用 CT 扫描图像，选择 ZTE 以使用 ZTE 扫描图像，或选择 NO 以使用 charm 工具生成的简化掩模。当使用 CT 或 ZTE 图像时，单击 Coreg 下拉菜单，然后选择 CT to MR。单击 Select，并从相应参与者的文件中选择对应的图像。
单击“选择热循环文件”，然后选择描述实验超声参数（包括开启时长、关闭时长和占空比）的热循环文件。接着单击“换能器”旁边的下拉菜单，并选择实验所用的换能器。单击“计算后端”旁边的下拉菜单，选择运行模拟的计算机所使用的计算后端。
输入所有信息后，点击“继续”以完成其余的模拟。现在选择换能器的超声频率以及每波长的适当采样点数，然后点击“计算规划掩模”。
检查图像，确保皮肤、颅骨和脑组织的边界被准确识别。进行声学模拟时，单击“步骤2 AC模拟”标签页以打开。通过输入相应距离，调整锥体到焦点之间的距离。
要运行模拟，请点击“计算场”按钮。调节Z轴偏转值，使十字线位于焦点中心。按上下箭头键或手动输入所需数值。
然后点击“计算字段”。对于热仿真，点击“步骤3 热仿真”标签页，然后点击“计算热场”。
完成基于所获取的 MRI 扫描图像的颅骨重建和模拟后，打开 Brainsight 软件，点击“打开现有项目”。选择在路径和靶点定位过程中创建并保存的 Brainsight 文件。点击“会话”以开始新的实验会话。
单击下拉菜单，选择“新建”，然后选择“在线实验”。接着单击目标名称，再单击“添加下一步”以将目标添加到实验会话中，并进入“实验”窗口。单击“窗口”和“工具校准”。
选择要使用的工具，然后点击重新校准。使用位于耳朵和眉毛上方的头带，将受试者追踪器固定在参与者的头部。接下来，在 Brainsight 中点击注册选项卡。
将光标置于第一个标记点上，用双手稳定固定。然后点击“采样”，并前往下一个标记点。点击“验证”标签以验证受试者的配准。
将探针轻轻放置在头皮的不同位置，并确保所有点的距离均小于三毫米。然后使用置于下颌托架和头部后方的稳定器固定受试者的头部，以防止移动。确保他们在整个实验过程中舒适地坐在椅子上。
单击“执行”。使用机械臂沿选定轨迹将换能器定位到目标区域上方。
概述
本文介绍了一种经颅超声刺激（TUS）的实验方案，这是一种旨在调节深部脑结构的非侵入性神经调控技术。研究详细描述了利用开源工具规划人类经颅超声刺激实验的高效工作流程，以促进该过程的实施。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 神经调节
- 医学影像
背景
- 关于经颅超声对人脑作用的理解仍在不断发展。
- 参数优化对于实现有效神经调控至关重要。
- 目前仅有少数研究对经颅超声的实验设计进行了系统化梳理。
- 开源工具为研究人员提供了易于获取的实验平台。
研究目的
- 建立一套全面的方法学，用于规划经颅超声刺激（TUS）实验。
- 加深对经颅超声刺激（TUS）对神经元活动影响的理解。
- 促进未来经颅超声刺激（TUS）实验设计的开展。
使用的方法
- 该方法包括高分辨率磁共振成像（MRI）以及将影像数据转换为兼容格式。
- 对参与者的结构图像进行处理，以实现精确的目标点和路径映射。
- 使用定制软件对声学和热学参数进行模拟。
- 关键步骤包括设定解剖标志点和路径，以确保实验过程中精确定位。
- 实验期间需固定参与者，以尽量减少移动并保证操作准确性。
主要结果
- 该方案揭示了选择最优参数以实现神经元抑制的重要性。
- 该研究强调了准确靶点识别和模拟结果对于成功应用经颅超声刺激（TUS）至关重要。
- 受试者表现出可靠的定位配准，确保了换能器的精确定位放置。
- 该方法为未来人类经颅超声刺激干预研究提供了验证依据。
结论
- 本研究建立了一种简化的经颅超声刺激（TUS）人体实验方法，推动了非侵入性神经调控领域的研究进展。
- 通过采用开源工具，该方案有助于进一步深入理解脑刺激效应，促进相关技术的发展。
- 研究结果支持经颅超声刺激（TUS）作为一种可行的神经调控技术日益增长的研究兴趣，为创新性的临床应用奠定了基础。
常见问题
执行层面的行业相关性
在人类中开展经颅超声神经调控实验需要严谨的规划，以确保精准定位、安全性和可重复性。本方案整合了先进的成像、模拟和神经导航技术，以降低早期神经调控研究的风险，并实现可靠的假设验证。该工作流程支持从发现到临床前验证的转化连续性，使经颅超声（TUS）成为可扩展的中枢神经系统靶点研究平台。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 实现对深部脑结构的精确定位和调控，用于功能靶点的验证。
- 通过整合声学与热学模拟，预测生物学效应，支持机制层面的风险评估。
- 结合定量成像与模拟输出，促进对神经环路的假设驱动式研究。
筛选与检测方法开发
- 标准化个体化解剖模型的制备，以实现可重复的神经调控实验。
- 提供声场和热安全性的定量读数，支持检测的可靠性。
- 支持经颅超声刺激（TUS）参数的可扩展性调整，适用于多种实验设计和化合物评价。
转化与临床前研究
- 将神经调节方案与人类解剖学变异对齐，以推动转化生物标志物的开发。
- 确保从基于模拟的规划到体内人体实验的连续性，降低转化风险。
- 提供经过验证的工作流程，推动非侵入性中枢神经系统调节技术向临床应用迈进。
流程与工作流整合
本方案通过整合成像、模拟和神经导航工具，将早期发现、靶点验证和临床前神经调节研究连接起来。
- Discovery Biology：通过精确的目标和轨迹定位，支持假设验证和通路阐明。
- Screening：提供可重复的、定量的声学和热模拟输出，用于检测方法的标准化。
- Analytics：提供空间配准精度和基于模拟的安全性指标，支持不同条件间的比较。
- Translational Research：保持从计算机模拟规划到人体实验的连续性，支持生物标志物的一致性分析。
- Enterprise Reuse：建立一种模块化、开源的工作流程，可适用于不同的中枢神经系统靶点和实验范式。
运营与企业影响
- 科学价值：提高神经调节结果的预测可信度，减少机制上的不确定性。
- 操作价值：标准化成像、模拟和靶向步骤，以实现可重复性和可扩展性。
- 战略价值：支持基于充分信息的决策，推动中枢神经系统调节项目的资本高效进展。
- 项目组合影响：支持对神经调节靶点和实验设计进行风险调整后的优先级排序。
实施注意事项
- 需要具备神经影像学、仿真软件和神经导航系统的专业知识。
- 需要能够获取高分辨率的磁共振成像（MRI）或计算机断层扫描（CT）影像，以及用于仿真的计算基础设施。
- 需要跨团队对影像、仿真和靶向定位方案进行标准化。
- 在经过适当验证的前提下，可适用于多种换能器配置和解剖模型。
- 依赖于精确的配准和校准，以确保靶向准确性并符合安全性要求。
