Pipeline do planowania i wykonywania eksperymentów z przezczaszkową neuromodulacją ultrasonograficzną u ludzi
28 czerwca 2024
Przezczaszkowa stymulacja ultradźwiękowa (TUS) to nowa nieinwazyjna technika neuromodulacji, która wymaga starannego planowania symulacji akustycznych i termicznych. Metodologia opisuje proces przetwarzania obrazów i symulacji ultradźwiękowej w celu zapewnienia wydajnego, przyjaznego dla użytkownika i usprawnionego planowania eksperymentów na ludziach.
Nasze badania mają na celu zrozumienie szczegółów przezczaszkowej stymulacji ultradźwiękowej w celu wywołania mierzalnych efektów u ludzi, w tym specyfikacji parametrów i jej zdolności do modulowania głębokich struktur mózgu. Nasz protokół usprawnia etapy planowania wymagane do przeprowadzenia eksperymentów przezczaszkowej stymulacji ultradźwiękowej u ludzi. Jest wydajny, łatwy w użyciu i wymaga korzystania z dostępnych, dostępnych narzędzi do planowania typu open source.
Nasze ostatnie odkrycia rzuciły światło na wpływ optymalnego doboru parametrów w przezczaszkowej stymulacji ultradźwiękowej w celu osiągnięcia hamowania neuronów. Pomoże to w opracowywaniu i projektowaniu przyszłych eksperymentów na ludziach, znacząco przyczyniając się do naszego zrozumienia i rozwoju tej technologii. Po wykonaniu obrazowania rezonansu magnetycznego w wysokiej rozdzielczości, przekonwertuj pliki T1-ważone, T2-ważone i Zero Time Echo DICOM Scan z formatu DICOM na NIFTI za pomocą narzędzia dcm2niix.
Korzystając z narzędzia do tworzenia zaklęć SimNIBS, wykonaj korejestrację i ekstrakcję maski tkankowej. Następnie otwórz Braighsight. Kliknij na New Empty Project (Nowy pusty projekt) i załaduj obraz NIFTI uczestnika z wagą T1.
Kliknij na zakładkę Rekonstrukcje. Następnie w menu rozwijanym Nowa rekonstrukcja. Kliknij Skórka, a następnie Skórka obliczeniowa w nowym oknie.
Po zakończeniu kliknij przycisk Zamknij w lewym górnym rogu okna. Na karcie Rekonstrukcje kliknij menu rozwijane Nowa rekonstrukcja, a następnie wybierz opcję Pełna krzywoliniowa część mózgu. Teraz dostosuj położenie zielonego pola na płaszczyźnie strzałkowej, czołowej i poprzecznej, przeciągając jego krawędzie, aby szczelnie otoczyć mózg.
Przewiń wszystkie plasterki, aby upewnić się, że krawędzie tkanki nie zachodzą na siebie. Kliknij Oblicz krzywoliniowe i dostosuj głębokość odklejania do czterech milimetrów. Następnie kliknij kartę Punkty orientacyjne w Brainsight, a następnie Konfiguruj punkty orientacyjne.
Umieść krzyżyk na czubku nosa, a następnie w polu Nazwa oznacz punkt orientacyjny jako Nos. Następnie umieść krzyż nitkowy między oczami nad grzbietem nosa i oznacz punkt orientacyjny Nasion. Następnie umieść krzyżyk na lewym uchu i oznacz punkt orientacyjny L Ear.
Następnie umieść krzyżyk na prawym uchu i oznacz punkt orientacyjny R Ear. Następnie kliknij kartę Cele, a następnie Konfiguruj cele. Umieść celownik w miejscu żądanego celu i użyj przełączników kąta po prawej stronie ekranu, aby ustawić kąt trajektorii.
Po wybraniu żądanego celu i trajektorii kliknij nowe menu rozwijane i wybierz Trajektoria. Aby nazwać element docelowy, wpisz go w polu tekstowym obok pola Nazwa. Kliknij Eksportuj, aby wyeksportować cel i zapisać go w odpowiednim folderze tematu.
Otwórz BabelBrain i wybierz wymagane pliki do symulacji akustycznych i termicznych. Aby wybrać plik tekstowy wyeksportowany wcześniej z Brainsight, kliknij Wybierz trajektorię i wybierz odpowiedni plik uczestnika. Kliknij Wybierz SimNIBS, aby wybrać utworzony wcześniej plik SimNIBS.
Kliknij wybierz T1W, a następnie wybierz obraz ważony T1 utworzony i używany wcześniej do mapowania celu i trajektorii. Teraz wybierz prawdziwą CT do skanów CT, ZTE do skanów ZTE lub NIE Aby użyć uproszczonej maski wygenerowanej przez narzędzie do zaklęcia. W przypadku korzystania z obrazu CT lub ZTE kliknij menu rozwijane Coreg, a następnie CT do MR. Kliknij Wybierz i wybierz odpowiedni obraz z odpowiedniego pliku uczestnika.
Kliknij Wybierz profil termiczny i wybierz plik profilu termicznego, który opisuje parametry sonikacji eksperymentu pod względem czasu włączenia, czasu trwania wyłączonego i cyklu pracy. Następnie kliknij menu rozwijane obok Przetwornik i wybierz przetwornik używany do eksperymentów. Kliknij menu rozwijane obok opcji Zaplecze obliczeniowe i wybierz zaplecze obliczeniowe komputera, na którym przeprowadzane są symulacje.
Po wprowadzeniu wszystkich informacji kliknij przycisk KONTYNUUJ, aby zakończyć pozostałe symulacje. Teraz wybierz częstotliwość ultradźwięków przetwornika i odpowiednie punkty na długość fali. Kliknij Oblicz maskę planowania.
Sprawdź obraz, aby upewnić się, że granice skóry, czaszki i mózgu zostały dokładnie rozpoznane. Aby przeprowadzić symulację akustyczną, kliknij zakładkę Krok 2 AC Sim, aby otworzyć. Dostosuj odległość od stożka do punktu ogniskowego, wpisując odpowiednią odległość.
Aby przeprowadzić symulację, kliknij przycisk Oblicz pola. Dostosuj wartość opcji Sterowanie Z tak, aby krzyż nitkowy znajdował się w środku punktu ogniskowego. Naciskaj strzałki w górę lub w dół lub ręcznie wprowadź wymaganą wartość.
Następnie kliknij Oblicz pola. Aby przeprowadzić symulację termiczną, kliknij zakładkę Krok 3 Symulator termiczny. Następnie kliknij Oblicz pola termiczne.
Po wykonaniu rekonstrukcji czaszki i symulacji przy użyciu uzyskanych skanów MRI, otwórz Brainsight i kliknij Otwórz istniejący projekt. Wybierz plik Brainsight utworzony i zapisany podczas mapowania trajektorii i celu. Kliknij Sesje, aby rozpocząć nową sesję eksperymentowania.
Kliknij menu rozwijane i wybierz Nowy, a następnie Sesja online. Następnie kliknij nazwę celu, a następnie Dodaj następny krok, aby dodać element docelowy do sesji eksperymentu i przejdź do okna Eksperymentowanie. Kliknij Kalibracja okna i narzędzia.
Wybierz narzędzia, które mają być używane, a następnie kliknij przycisk Kalibruj ponownie. Przymocuj urządzenie do śledzenia tematu do głowy uczestnika za pomocą opaski umieszczonej nad uszami i brwiami. Następnie kliknij zakładkę Rejestracja w Brainsight.
Umieść wskaźnik na pierwszym punkcie orientacyjnym, stabilizując go obiema rękami. Następnie kliknij na Próbka i przejdź do następnego punktu orientacyjnego. Kliknij zakładkę Walidacja, aby zatwierdzić rejestrację uczestnika.
Delikatnie umieść wskaźnik w różnych miejscach na skórze głowy i upewnij się, że wszystkie punkty są mniejsze niż trzy milimetry. Następnie zabezpiecz głowę uczestnika podbródkiem i stabilizatorem umieszczonym z tyłu głowy, aby zapobiec przemieszczaniu się. Upewnij się, że na czas trwania eksperymentu siedzą wygodnie na krześle.
Kliknij Wykonaj. Użyj ramienia mechanicznego, aby ustawić przetwornik nad obiektem zainteresowania wzdłuż wybranej trajektorii.
Przegląd
Ten artykuł przedstawia protokół stymulacji przezczaszkowej ultradźwiękami (TUS), technikę neuromodulacji nieinwazyjnej, mającą na celu modulację głębokich struktur mózgu. Badanie szczegółowo opisuje wydajny przepływ pracy do planowania eksperymentów TUS na ludziach z wykorzystaniem narzędzi open-source, aby ułatwić ten proces.
Kluczowe elementy badania
Obszar nauki
- Neuroscience
- Neuromodulacja
- Medical Imaging
Tło
- Zrozumienie wpływu TUS na ludzki mózg wciąż ewoluuje.
- Optymalizacja parametrów jest niezbędna do skutecznej neuromodulacji.
- Niewiele badań usprawniło planowanie eksperymentów TUS.
- Narzędzia open-source oferują dostępne platformy dla badaczy.
Cel badania
- Opracowanie kompleksowej metodologii planowania eksperymentów TUS.
- Wzmacnianie zrozumienia wpływu TUS na aktywność neuronalną.
- Ułatwienie przyszłych projektów eksperymentalnych z wykorzystaniem TUS.
Wykorzystane metody
- Metodologia obejmuje obrazy o wysokiej rozdzielczości MRI i konwersję danych obrazowania na kompatybilny format.
- Obrazy strukturalne uczestników są przetwarzane w celu dokładnego odwzorowania celu i trajektorii.
- Symulacja parametrów akustycznych i termicznych jest przeprowadzana przy użyciu dedykowanego oprogramowania.
- Krytyczne kroki obejmują konfigurację punktów orientacyjnych i trajektorii w celu precyzyjnego celowania podczas eksperymentu.
- Uczestnicy są zabezpieczani podczas eksperymentu w celu zminimalizowania ruchu i zapewnienia dokładności.
Główne wyniki
- Protokół ujawnia znaczenie optymalnego doboru parametrów w celu osiągnięcia hamowania neuronalnego.
- Badanie podkreśla dokładną identyfikację celu i wyniki symulacji, które są kluczowe dla udanego zastosowania TUS.
- Uczestnicy wykazali niezawodną rejestrację, zapewniającą precyzyjne umieszczenie przetwornika.
- Metodologia zapewnia walidację dla przyszłych badań nad interwencjami TUS u ludzi.
Wnioski
- Badanie to ustanawia usprawnione podejście do eksperymentowania z TUS u ludzi, wzmacniając badania w dziedzinie nieinwazyjnej neuromodulacji.
- Dzięki wykorzystaniu narzędzi open-source protokół staje się dostępny dla dalszych postępów w zrozumieniu efektów stymulacji mózgu.
- Wyniki wspierają rosnące zainteresowanie TUS jako wiarygodną techniką neuromodulacji, otwierając drogę do innowacyjnych zastosowań klinicznych.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
Transcranial ultrasound neuromodulation experiments in humans require rigorous planning to ensure precise targeting, safety, and reproducibility. This protocol integrates advanced imaging, simulation, and neuronavigation to de-risk early-stage neuromodulation research and enable reliable hypothesis testing. The workflow supports translational continuity from discovery through preclinical validation, positioning TUS as a scalable platform for central nervous system target interrogation.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables precise mapping and modulation of deep brain structures for functional target validation.
- Supports mechanistic de-risking by integrating acoustic and thermal simulations to predict biological effects.
- Facilitates hypothesis-driven interrogation of neural circuits with quantitative imaging and simulation outputs.
Screening & Assay Development
- Standardizes preparation of individualized anatomical models for reproducible neuromodulation experiments.
- Delivers quantitative readouts for acoustic field and thermal safety, supporting assay reliability.
- Enables scalable adaptation of TUS parameters for diverse experimental designs and compound evaluation.
Translational & Preclinical Research
- Aligns neuromodulation protocols with human anatomical variability for translational biomarker development.
- Ensures continuity from simulation-based planning to in vivo human experimentation, reducing translational risk.
- Provides a validated workflow for advancing non-invasive CNS modulation technologies toward clinical readiness.
Pipeline & Workflow Integration
This protocol bridges early discovery, target validation, and preclinical neuromodulation research by integrating imaging, simulation, and neuronavigation tools.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification through precise target and trajectory mapping.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative acoustic and thermal simulation outputs for assay standardization.
- Analytics: Provides spatial registration accuracy and simulation-derived safety metrics for cross-condition comparison.
- Translational Research: Maintains continuity from in silico planning to human experimentation, supporting biomarker alignment.
- Enterprise Reuse: Establishes a modular, open-source workflow adaptable across CNS targets and experimental paradigms.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in neuromodulation outcomes and reduces mechanistic ambiguity.
- Operational Value: Standardizes imaging, simulation, and targeting steps for reproducibility and scalability.
- Strategic Value: Enables informed go/no-go decisions and capital-efficient advancement of CNS modulation programs.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of neuromodulation targets and experimental designs.
Implementation Considerations
- Requires expertise in neuroimaging, simulation software, and neuronavigation systems.
- Demands access to high-resolution MRI or CT imaging and computational infrastructure for simulations.
- Necessitates cross-team standardization of imaging, simulation, and targeting protocols.
- Adaptable to various transducer configurations and anatomical models with appropriate validation.
- Dependent on accurate registration and calibration to ensure targeting fidelity and safety compliance.
