探索性临床人体研究中经颅超声刺激的方法论方案及考虑
2025年12月12日
经颅超声刺激（TUS）是一种有前景的非侵入性技术，能够在任何深度刺激人脑，为治疗各种神经系统疾病提供了新的治疗可能性。该方案为在神经典型成人及神经系统疾病患者（如中风）中应用TUS提供了一个标准化且可适应的实证框架。
我们的神经调节和中风康复实验室专注于使用多种神经调节工具来增强中风后恢复，包括运动恢复。该项目涉及使用低强度经颅超声刺激，这是一种新型非侵入性脑刺激工具，用于调节运动皮层的兴奋性，促进卒中患者的运动学习。首先，准备一个用脱气去离子水的水箱，以防止对水听器造成潜在损害。
将超声换能器固定在水箱的灯具上，并将水听器安装在三轴定位系统上。把水听器连接到示波器上，然后把针尖和线连接起来。只有在水听器完全浸没水中后才开启水听器电源。
用函数发生器驱动超声换能器。然后利用三轴定位系统将水听器尖端定位在超声换能器的近似焦点区域。记录每个位置的示波器读数，以获得声压分布，并记录对应焦点区域的水听器位置。
通过施加不同的输入电压，评估超声换能器在焦点处的传输灵敏度。连接经颅超声刺激设备，开始示波器记录。打开示波器。
设置它运行，并根据感兴趣的比例调整垂直和水平轴。把功放的主电源开关切换到导通位置。把功放的输出调到零。
将两个函数发生器配置为所需的波形，确保每个脉冲时长都加入了增益。现在点击函数生成器的输出。用调节轮把功放输出调到100%，然后监控增益显示。
按下功放电源按钮开始输出。在示波器上确认驱动信号波形，并让驱动系统运行15分钟以稳定输出。检查驱动信号波形中每个脉冲时长的开始和结束时是否有递增。
把功放输出调到零。将换能器完全浸入水中，将出口平面置于距离表面约一英寸的位置，朝上。然后将功放输出调回100%，观察放大是否成功。
现在把神经导航工具追踪器安装到换能器支架上。在软件中，进入“窗口和工具校准”。点击新校准。
输入名称并选择正确的工具追踪器。将传感器与跟踪器对准校准块保持，使参考指示针接触并垂直于传感器出口平面中心。点击“开始校准倒计时”。
保持稳定五秒，必要时重复，直到成功。然后关闭“编辑校准”和“工具校准”两个窗口。当参与者准备接受经颅超声刺激时，按下放大器电源按钮关闭输出。
将示波器与放大器断开，将换能器连接到放大器输出端。如果使用基于仿真的目标，将目标加载到神经导航软件中。在“会话”标签中，打开新的下拉菜单，选择“在线会话”。
在“目标”标签下，点击轨迹-x-mod目标，按添加即可添加会话目标。在执行窗口中调出靶心工具中心视图或靶心中心视图。将驱动单元设置为正确的TUS换能器，并在左上角的“目标采样”列表中选择正确的目标。
梳理参与者的头发，露出TUS换头部位的头皮，形成前后分缝线。将气体超声凝胶涂抹在上面。在每侧约1.5厘米处设置一到三条额外的分线，重复同样的过程。
最后，回到最初的分界线，重复这个过程四次。现在，将TUS换能器绑在参与者头部，并用靶心视角将其对准。调整换能器以将距离、倾斜和旋转偏差降到作范围内。
如果需要安全监测，可以在超声凝胶靠近头皮处插入热电偶导线。用纸带把热电偶线绑在磁头上，防止移动。按下放大器的电源按钮即可开始输出并启动TU。
同时按下神经导航软件中的“Sample Now”以记录初始换能器放置。持续监控靶心视角中的三个对齐指标。如果安装了热电偶线，可以监测头皮温度。
要完成TUS时，按下功放电源按钮停止输出。取下换能器和所有头戴设备。检查头皮是否有红肿迹象，并询问参与者是否有不适或不良反应。
如果没有报告问题或解决疑虑后，轻轻擦拭头皮上的超声凝胶。在神经导航窗口点击“完成”，通过选择“文件”并点击“保存项目”来保存项目。从会议列表中选择当前会议并点击“回顾”。
在会话复习窗口中，从导出下拉菜单中选择脑部网站文本文件。确保选择了方向，并将吸附设置为无。根据需要配置其他导出设置，然后点击保存导出刺激数据。
基于模拟的目标定位令人满意，声学聚焦达到预期的皮层刺激区域。一种基于仿真的目标定位场景，由于声学焦点与预期刺激目标之间错位，需要额外迭代。调整距离TX输出平面到皮肤参数，以纠正模拟界面中可视化缩放问题。
记录到一个干净的电机诱发电位，表明经颅磁刺激、线圈放置和方向良好。观察到一种波形，可能不代表运动诱发电位。在52%最大刺激器输出下成功测定MT一毫伏电压，该水平下有5个阳性和5个负面响应。
由于连续而非交替的正负反应，记录到一个可能不确定的MT一毫伏测定，最大刺激器输出为87%。换能器驱动信号的示波器读数稳定且均匀，显示设备正常工作。通过神经导航实现了物理换能器放置与预定靶点之间的良好对齐。
检测到换能器位置错位，表明需要调整以匹配目标。我们已确认TUS在中风患者中安全性和有效强度，显示运动皮层TUS可增强运动学习和皮层兴奋。目前没有专门针对神经疾病成人使用TUS的方法论文章。
该协议弥补了这一空白。我们希望该方案能减少方法学的变异性，提高未来人类超声研究的可靠性和可重复性。
查看完整文字稿并访问数千部科学视频
概述
经颅超声刺激（TUS）是一种非侵入性技术，可刺激大脑不同深度，为神经系统疾病提供新的治疗选择。本协议概述了在神经典型成年人和脑卒中等神经系统疾病患者中应用TUS的标准化框架。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 神经调节
- 脑卒中康复
背景
- TUS是一种有前景的脑刺激方法。
- 它可能会增强脑卒中患者的康复。
- 该技术适用于各种临床应用。
- 标准化协议对于重现性至关重要。
研究目的
- 提供TUS应用的详细协议。
- 探索其对脑卒中患者运动康复的影响。
- 建立TUS的安全性和有效性措施。
使用的方法
- 准备一个充满去气去离子水的水箱。
- 校准超声换能器和水听器。
- 应用超声胶并放置换能器。
- 监测参与者在刺激期间的头皮温度。
主要结果
- 成功校准了超声系统。
- 有效地对参与者进行了TUS。
- 监测显示刺激期间输出稳定。
- 刺激后评估显示没有不良影响。
结论
- TUS是一种可行的非侵入性脑刺激方法。
- 它可能会增强脑卒中患者的运动康复。
- 需要进一步研究以优化协议和结果。
常见问题
Executive Industry Relevance
Transcranial ultrasonic stimulation (TUS) offers a non-invasive, millimeter-precision neuromodulation platform with translational potential for neurological disorders. Standardized protocols for TUS in clinical populations address critical reproducibility and comparability gaps, directly impacting early clinical validation and mechanistic de-risking. This methodological framework enables enterprise R&D teams to generate reliable, cross-study data for target engagement and safety in human neuromodulation pipelines.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables hypothesis-driven interrogation of neuromodulatory effects in disease-relevant human cohorts.
- Supports functional target validation by quantifying cortical excitability and motor learning outcomes.
- Reduces mechanistic ambiguity through standardized calibration and targeting procedures.
- Facilitates predictive confidence in translational neuromodulation strategies.
Screening & Assay Development
- Establishes validated, reproducible stimulation parameters for downstream clinical and preclinical workflows.
- Standardizes outcome measures such as motor evoked potentials and safety assessments.
- Enables quantitative comparison of stimulation effects across patient populations and studies.
- Prepares robust assay systems for evaluating neuromodulatory interventions.
Translational & Preclinical Research
- Aligns stimulation protocols with disease-relevant endpoints in neurological populations.
- Ensures continuity from mechanistic discovery to early clinical validation.
- Supports risk-adjusted advancement decisions based on reproducible safety and efficacy data.
- Provides a modular framework adaptable to diverse neurological indications.
Pipeline & Workflow Integration
This protocol positions TUS as a bridge from early discovery through lead identification to preclinical and exploratory clinical research in neuromodulation.
- Discovery Biology: Facilitates hypothesis testing and pathway clarification in human neurological models.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative readouts for cross-study and cross-population comparison.
- Analytics: Provides standardized measurements of cortical excitability and motor function for robust statistical analysis.
- Translational Research: Enables alignment of stimulation parameters with clinical endpoints and biomarker strategies.
- Enterprise Reuse: Offers a replicable, modular protocol adaptable across research groups and patient populations.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic risk in neuromodulation pipelines.
- Operational Value: Drives standardization, reproducibility, and scalability in clinical neuromodulation studies.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions and capital allocation by providing reliable early human data.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of neuromodulatory assets.
Implementation Considerations
- Requires expertise in neuromodulation, neuro-navigation, and clinical neurophysiology.
- Demands access to calibrated ultrasound hardware, hydrophones, and neuro-navigation systems.
- Necessitates rigorous cross-team standardization of targeting, calibration, and safety monitoring procedures.
- Adaptable to various neurological model systems with protocol modifications as needed.
- Dependent on robust quality assurance and calibration to ensure reproducibility across sites.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:00
Introduction
0:38
Hydrophone-Based Characterization of Ultrasound Transducer Acoustic Output in a Water Tank Setup
1:50
Configuration and Calibration of Transcranial Ultrasound Stimulation (TUS) System
4:20
Neuronavigation-Guided Transcranial Ultrasound Stimulation (TUS) Administration and Data Export Procedure
7:27
Results
9:08
Conclusion
