Name: 経頭蓋超音波ニューロモデュレーション実験のヒトにおける計画と実行のためのパイプライン (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-06-28T14:35:00.000+00:00
Duration: 7 min 52 s
Description: 学ぶ経頭蓋超音波刺激（TUS）の実験計画と実行のための効率的なワークフロー。オープンソースツールを用いて深部脳構造の神経変調を実現し、非侵襲的な神経科学技術の発展に貢献します。

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この研究は、カナダ自然科学工学研究評議会ディスカバリー助成金、INNOVAITプログラム、カミング医学研究基金、カナダイノベーション財団(プロジェクト36703)、ホッチキス脳研究所CAPRI助成金、およびアルバータ州パーキンソン協会の資金提供によって部分的に支援されました。GBPは、カナダ保健研究所(FDN-143290)およびキャンパスアルバータイノベーションチェアプログラムからの支援を認めています。

高精度TUS:音響シミュレーションと熱シミュレーションによる計画と実行

著者は、宣言する利益相反を持っていません。

この手法では、被験者固有のシミュレーションを行い、TUSの脳への適用から生じる可能性のある熱的および機械的影響を予測および評価します。参加者間のデータセットは、誤ったスキャンやデータファイルを使用すると不正確なシミュレーションにつながるため、別々に慎重に文書化する必要があります。多数の参加者スキャンが収集され、計画が一緒に実行される場合は、画像とフォルダーの適切なラベル付けを確保し、ファイルの並べ替えと保存に注意して進めることが重要です。
シミュレーションを正確に実行するには、頭蓋骨を正しくモデル化して、音響特性と幾何学的特性を被験者ごとに理解する必要があります。したがって、BabelBrainはCTまたはZTEスキャンの完了を必要とします。どちらも利用できない場合、BabelBrainはチャームツールで取得した頭蓋骨の簡略化されたマスクを使用できます。CTスキャンは、頭蓋骨の特性に関する最も正確な情報を提供し、超音波が頭蓋骨に接触した後、脳内でどのように伝播するかを予測します。これは、頭蓋骨のボクセル化された情報を使用することによって達成されるが、骨量の推定は、その不均一な性質のために依然として予測が困難である51。しかし、最近では、ZTE スキャンなどの超短 TE MRI シーケンスを使用して、頭蓋骨の音響特性を決定し、TUS シミュレーションを実行するようになりました。ボーンのピクセル解像度とコントラストは、ZTE画像ではCTほど高くありません。しかし、T1-wおよびT2-w MRIのみから導出された簡略化されたマスクと比較すると、ZTE画像は依然として、CTスキャン53で行われたものと同様の予測を持つTUSシミュレーション52による加熱の改良された推定を提供する。シミュレーションでZTEスキャンを使用すると、元のMRIスキャンセッションにZTEシーケンスを追加できるため、放射線への不必要な曝露やX線CT画像の取得に必要な追加の時間がなくなります。ただし、ZTEプロトコルはほとんどのMRIスキャナーの標準製品ではなく、TUSモデリングで使用するためのZTEベースの後処理を改善するために追加の研究が必要です。CT画像もZTE画像も利用できない場合、BabelBrainで利用されるチャームツールは、T1-およびT2-w画像から簡略化されたマスクを作成し、頭蓋骨の特性を予測します。CTと簡易マスクで行われたシミュレーションの比較では、ターゲットに到達するために必要なステアリング(1.00 mm ± 1.3 mm)と機械的な再配置(x方向0.2 mm ± 0.4 mm、y方向0.1 mm±0.5 mm)の違いは最小限に抑えられていますが、強度分布はわずかに異なります(焦点距離6%±8%、焦点幅2.7%±2%、焦点ボリューム10.4%±16%、ピーク圧力-0.5%±CTと比較して簡略化マスクの15%)36.これにより、CTはより正確なシミュレーションを提供できることがわかります。ただし、CTまたはZTEスキャンを利用できない場合は、簡易マスクを使用して、ヒトでのTUS実験のシミュレーションを完了するのに十分です。
音響特性のマッピング手法は、CTおよびMR画像からの音速と減衰の予測にはまだ理解を深め、ワークフローを合理化する必要があるため、依然として必要な研究分野です。したがって、シミュレーションで予測されたものから熱的または機械的効果が逸脱する可能性があるという警告が残っています。BabelBrainの音響効果のモデリングは、オープンソースのBabelViscoFDTD54,55ライブラリを使用して実現され、線形圧縮と横波伝送の両方のモデリングが可能です。このモデルは、焦点の位置、サイズ、および大きさについて他の複数のモデルに対して検証されており、焦点圧力の差は10%未満、焦点位置の差は1mm未満です56。したがって、音響シミュレーションは他のシミュレーションモデルと一致しています。MR温度測定は頭蓋骨で実施できず、温度変化は非常に小さいと予想されるため、熱予測はより困難であり、実験的に検証されていません。BabelBrainで使用される熱モデリングは論文間で一貫しており、熱拡散、灌流の影響、および音響パワー36,51をモデル化することにより、頭蓋骨の加熱をシミュレートするために生体熱伝達方程式(BHTE)を解いています。減衰と吸収のモデルからの熱上昇の推定値は、他の公開された文献57に基づいてTUSによる頭蓋骨の影響を予測するために使用され、頭蓋骨の加熱をシミュレートするためのこれまでの最良の代替手段として機能します。記載されている方法で見られるように、ユーザーは、超音波の持続時間、超音波検査後の休息時間、デューティサイクル、および脳の状態における所望の空間ピークパルス平均強度を指定し、そのうち安全パラメータはパラメータ選択の関数として計算されます。したがって、ユーザーは、使用するすべてのパラメータを検査して、それらが安全要件内にあることを確認する必要があります。トランスデューサを関心領域上に配置するために使用されるさまざまなニューロナビゲーションシステムも、約3mmのターゲット登録誤差を有することが確認されています38,58,59。ただし、使用する周波数とターゲットのサイズによっては、3 mmの誤差があっても、焦点がターゲットをカバーするのに十分な大きさになる場合があります。これは制限かもしれませんが、定位ローカリゼーション方法の侵襲性により、他のナビゲーションシステムよりも大きなメリットがあります。
BabelBrainは、効率的で使いやすく、これまでで唯一のオープンソースでアクセス可能な計画ツールであるため、TUSの実験を人間で完了するために必要な計画手順を合理化します。これにより、公開された文献の実験方法の透明性が確保され、使用されるスクリプトにオープンにアクセスできるようになります。説明した方法では、データ準備と画像処理の手順が完了し、カスタマイズされたスクリプトやシミュレーションを実行するための外部コラボレーションが不要になります。したがって、実験者にとって大きな障壁が取り除かれ、計画とシミュレーションを直接完了できるようになり、より多くの研究室がTUSの実験を成功裏に完了できるようになります。実験のプロスペクティブ・プランニングに加えて、この方法は、血液脳関門59の開放など、キャビテーション媒介FUS療法36のプランニングにも潜在的な応用がある。全体として、この方法は、ヒトでのTUS実験の計画と実施、および臨床現場で使用するためのTUSの開発に効果的で合理化されたアプローチを提供します。

一般的に使用される非侵襲的神経刺激技術には、経頭蓋直流刺激(tDCS)と経頭蓋磁気刺激(TMS)が含まれます。ただし、どちらも貫通深さが限られており、精度は1,2が低いです。対照的に、経頭蓋超音波(TUS)は、ニューロン活動を増強または抑制し、ミリメートル精度で皮質または皮質下構造を標的とすることができる新しい非侵襲的技術です3,4,5。げっ歯類4,8,9、ウサギ10、ヒツジ5,11、ブタ6、および非ヒト霊長類7,12,13,14を用いた動物モデルにより、TUSの有効性と安全性が示されている。研究によると、ラットではさまざまな脳領域を標的とすると、ラットでは四肢の動き8、ブタでは体性感覚誘発電位(SSEP)6、ヒト以外の霊長類では視覚運動活動12、認知的および動機付けの意思決定13の変化が引き起こされることが実証されています。ヒトでは、TUSは、一次運動野15,16を標的とすると反応時間課題の運動誘発電位(MEPs)とパフォーマンスを変化させ、体性感覚皮質17と感覚視床18を標的とすると、触覚識別タスクとSSEPSのパフォーマンスを変化させることが観察されている。組織学的解析では、ブタ6、ヒツジ5,11、ウサギ10、および非ヒト霊長類14において、TUSに関連する肉眼的または微視的な構造変化は明らかにされておらず、他の非侵襲的神経刺激技術19と有意に異なる副作用は見られなかった。
TUSは、200 kHz〜700 kHzの周波数でパルス低強度集束超音波を使用して、一時的な神経調節効果を生み出します。典型的な空間ピークパルス平均強度(Isppa)は、その場で10 W / cm2以下であり、報告されているデューティサイクル(超音波がオンの時間の割合)は、ヒトで0.5%から70%の範囲です20,21,22,23,24。TUSニューロモデュレーションのメカニズムは、主にイオンチャネル25,26,27の開口につながる脂質膜の機械的攪拌を含むと提案されているが、可能な熱およびキャビテーションの影響を無視することはできない。これらは、機械的(MI)および熱(TI)インデックスによって評価されます。MIは、TUSで発生する予測されるキャビテーション関連の生体影響を説明し、一方、TIは、超音波適用後の組織内の潜在的な温度上昇を記述します28,29。さらに、周波数と入力強度を変更すると、MIとTIも変化します。周波数が高いほど、空間分解能が高くなり、機械的な生体効果の可能性が低くなります。しかし、それらは組織内でより強く吸収され、それが温度上昇の可能性を高める28。あるいは、同じ強度で周波数が低いほど、MIが増加します。同様に、強度を増大させると、機械的および熱的生体効果30の大きさが増加する傾向がある。したがって、実装されるすべてのTUSパラメータについて、実験セッションの前に慎重な計画とシミュレーションを実行することが不可欠です。
TUSの実験を計画するには、対象のターゲットと軌道の特定、および熱シミュレーションと音響シミュレーションの性能が必要です。シミュレーションは、機械的影響を最適化し、TUSの組織に対する熱影響を軽減するのに役立ちます。彼らは、頭蓋骨の加熱、焦点での超音波の圧力振幅、焦点補正、および頭蓋骨と皮膚内の他の加熱の予測を理解する必要があります。適切なシミュレーションにより、焦点が関心の対象に到達することが保証され、FDAおよびカナダ保健省の推奨事項に基づく国際経頭蓋超音波刺激安全性基準コンソーシアム(ITRUSST)31によって推奨されている生物物理学的安全性に関する安全ガイドラインによって設定された超音波使用の安全性パラメータが守られます。最近の研究では、動物やヒトにおけるTUS 32,33,34を伴う聴覚交絡効果も強調されており、TUS刺激は脳内の聴覚経路を活性化して反応を誘発することができる32,33,34。動物におけるこれらの影響を減少させるために、齧歯類における聴覚神経32の切断、蝸牛液32の除去、または化学的難聴33が用いられてきた。ヒトでは、ヘッドフォンを介して聴覚トーンを投与することで、TUSからの聴覚ノイズを効果的にマスクし、TUSによって引き起こされる聴覚活動の交絡を制御しています34。このことは、偽刺激条件での聴覚ノイズを制御する必要性を浮き彫りにしており、これをプロトコルの計画、設計、および実装に組み込む必要があります。
ここでは、ヒトでTUS神経調節実験を行うために必要な準備(ステップ1、ステップ2)、計画(ステップ3)、シミュレーション(ステップ4)、TUS送達(ステップ5)を適切に完了するためのガイドを提供します。

<table><tbody><tr><td>128チャンネルアンプユニット</td><td>Image Guided Therapy</td><td></td><td>このユニットは、H-317トランスデューサーを駆動</td></tr>します <tr><td>24チャンネルヘッドコイル</td><td>ゼネラルエレクトリック</td><td></td><td></td></tr><tr><td>3Dプリンター</td><td>Raise3D</td><td>Pro2</td><td>フィラメントの厚さは1.75mmです。</td></tr><tr><td>3T MRIスキャナー</td><td>ゼネラル・エレクトリック</td><td>・ディスカバリー 750 HD</td><td>MR コンソール バージョン DV26.0_R05_2008</td></tr><tr><td>BabelBrain</td><td>Samuel Pichardo (カルガリー大学)</td><td>バージョン 0.3.0</td><td>https://github.com/ProteusMRIgHIFU/BabelBrain でアクセス可能。熱シミュレーションと音響シミュレーションを実行します。</td></tr><tr><td>Blender</td><td>Blender Foundation</td><td>Version 3.4.1</td><td>https://www.blender.org でアクセス可能。BlenderはBabelBrainによって自動的に呼び出されます。</td></tr><tr><td>Brainsight</td><td>Rogue Research</td><td>Version 2.5.2</td><td>ターゲットの特定、軌道計画、TUS配信セッションの実行に使用されます。</td></tr><tr><td>椅子とあご/ヘッドホルダー</td><td>Rogue Research</td><td></td><td>TUSの配信セッション中に使用して、参加者の安定性を確保します。最適化されたターゲティングのためのヘッド。</td></tr><tr><td>カスタムメイドのカップリングコーン</td><td>カルガリー大学のチームは</td><td></td><td>、H-317トランスデューサーにのみ必要なアクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS)でコーンを3Dプリントしました。</td></tr><tr><td>dcm2niix</td><td>クリス・ローデン (サウスカロライナ大学)&nbsp;</td><td>バージョン1.0.20220720 https://github.com/rordenlab/dcm2niix/releases</td><td>でアクセス可能。被写体MR画像の前処理に使用します。</td></tr><tr><td>フィデューシャルとヘッドバンドやメガネBrainsight</td><td>、ローグリサーチ&nbsp;</td><td>ST-1325(被写体トラッカー)、LCT-583(大型コイルトラッカー)</td><td>ヘッドバンドやメガネは交換可能に使用できます。</td></tr><tr><td>ヘッドフォン</td>は、使い捨て<td>のヒントを備えたワイヤレスBluetoothイヤフォン</td>を<td>FitProTrueワイヤレスイヤフォン</td>に<td>打ち込み</td>ます。</tr><tr><td>MacBookPro</td><td>Apple</td><td>M2 Max, 16", 64GB RAM</td><td>軌道計画とシミュレーションを完了するためのコンピュータ</td></tr><tr><td>SimNIBS</td><td>Axel Thielscher (デンマーク工科大学)</td><td>バージョン 4.0.0</td><td>https://simnibs.github.io/simnibs/build/html.index.html シリンジでアクセス可能</td></tr><tr><td>10</td><td></td> <td>mL、60 mL</td><td>エアポケットを埋めるために超音波ジェルを追加するために使用されます。</td></tr><tr><td>トランスデューサ</td><td>ーSonicconcepts</td><td>H-317</td><td>その他のサポートされているトランスデューサーには、CTX_500(NeuroFUS、Sonicconcepts)、シングルエレメント、H-246(Sonicconcepts)、およびBsonix(Brainsonix)</td></tr><tr><td>トランスデューサーフィルム</td><td>Sonicconcepts</td><td>ポリウレタン膜</td><td>トランスデューサーと被験者との間のインターフェース</td></tr><tr><td>超音波ゲル</td><td></td>波長<td>クリア超音波ゲル</td>カップリング<td>媒体。</td></tr><tr><td>WindowsのラップトップAcer</td><td></td><td>Aspire A717-71G、Intel Core i7-7700HQ、16 GBのRAMシステムは、</td><td>128チャンネルのアンプを制御し、ヘッドフォンを介してサウンドを生成するために使用されます</td></tr></tbody></table>

経頭蓋超音波ニューロモデュレーション実験のヒトにおける計画と実行のためのパイプライン

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

経頭蓋超音波刺激法(TUS)は、皮質構造と皮質下構造の両方を高精度で操作できる新しい非侵襲的神経調節技術です。人間が関与する実験を行うには、音響シミュレーションと熱シミュレーションを慎重に計画する必要があります。この計画は、超音波ビームの形状と軌道に対する骨の干渉を調整し、TUSパラメータが安全要件を満たしていることを確認するために不可欠です。T1 および T2 強調は、1 mm 等方性分解能のゼロタイムエコー (ZTE) 磁気共鳴画像法 (MRI) スキャンとともに取得されます (または、コンピューター断層撮影 X 線 (CT) スキャン) 頭蓋骨の再建とシミュレーションのために。ターゲットと軌道のマッピングは、ニューロナビゲーションプラットフォームを使用して実行されます。SimNIBSは、頭蓋骨、皮膚、および脳組織の初期セグメンテーションに使用されます。TUSのシミュレーションはBabelBrainツールで引き継がれ、ZTEスキャンを使用して頭蓋骨の合成CT画像を生成し、音響特性に変換します。電動ステアリング機能を備えたフェーズドアレイ超音波トランスデューサを使用しています。Zステアリングは、目標の深さに達するように調整されます。その他のトランスデューサ構成も計画ツールでサポートされています。熱シミュレーションは、温度と機械的指数の要件が、FDAが推奨するヒト被験者のTUSの音響ガイドライン内にあることを確認するために実行されます。TUSの送達セッション中、機械式アームは、フレームレス定位ローカリゼーションシステムを使用して、トランスデューサーを必要な位置まで移動させます。

図7は、特定の超音波パラメータ(基本周波数250kHz、超音波処理持続時間120秒、パルス繰り返し周波数(PRF)100Hz、デューティサイクル10%、ISPPA5W/cm²)を使用する2つの異なる参加者を特徴とする、我々の研究42の1つからの比較セッションサンプルを示しています。本研究では、神経学的に健康な被験者から、1mmの等方性分解能のT1-、T2-w、およびZTEのMRIスキャンを取得しました。TMSは、一次運動皮質(M1)を対象として、TUSの前後の異なる時点での皮質脊髄興奮性に対するさまざまなTUS PRF(10 Hz、100 Hz、および1000 Hz)の影響を評価しました(図の個々のポイントで示されているように、各時点で30回のシングルパルスTMS測定)。図7は、成功した実験の結果を含み、TUS後の長期にわたる阻害効果(図7A)と、有意な効果が観察されなかった参加者からのデータ(図7B)を示しています。以前のTUSの研究では、一部の参加者は超音波刺激に関連する有意な影響を示さないと報告されています45,46。TMS47,48 および tDCS49,50 を使用した研究でも同様の結果が観察されており、NIBS 技術が必ずしも期待される効果をもたらすとは限らないことが示されています。このことは、実験の成功を達成する可能性を最大化するために、説明されているようなプロトコルを使用して、ヒトでのTUS実験を慎重に計画し、実施する必要性を浮き彫りにしています。
Zadehらによる研究42 は、TUSの異なる効果を強調し、1000Hzと100HzのPRFは、1000HzのPRFで観察される無視できる影響とは異なり、長期の阻害効果を誘発できることを示しています。重要なことに、この研究は、100HzのPRFが最も効果的であり、60分を超えるMEPの広範な抑制を達成することを示しています。 10 Hz PRFで達成される30分間の抑制とは対照的に、TUSの効果を評価する別の方法、例えば、SSEPsやタスクパフォーマンスの測定など、それぞれが結果の独自の解釈を必要とする方法を採用することができる。
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66972/66972fig07.jpg"> 図7:一次運動皮質(M1)を標的とする経頭蓋磁気刺激法(TMS)は、さまざまなTUSパルス反復周波数(PRF)が皮質脊髄興奮性に与える影響を評価します。TUSは、250 kHzの基本周波数、120秒の超音波処理時間、100 Hzのパルス繰り返し周波数(PRF)、10%のデューティサイクル、および5 W / cm2のISPPAで提供されました。各時点での 30 回の試行が記録されました (個々のドットで示されています)。提示された結果は、TUS曝露後5分、30分、および60分にわたる正規化されたMEP振幅の中央値の違いを強調しています。エラーバーは、各時点での試行の四分位範囲を示します。(A)長期にわたる阻害効果を例示する成功した実験結果を示す被験者。(B) 有意な影響を示さない被験者。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66972/66972fig07large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>

経頭蓋超音波刺激法(TUS)は、音響シミュレーションと熱シミュレーションの慎重な計画を必要とする新しい非侵襲的神経調節技術です。この方法論は、ヒトTUS実験のための効率的でユーザーフレンドリーで合理化された計画のための画像処理および超音波シミュレーションパイプラインを説明しています。

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

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