Name: Pipeline do planowania i wykonywania eksperymentów z przezczaszkową neuromodulacją ultrasonograficzną u ludzi (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-06-28T14:35:00.000+00:00
Duration: 7 min 52 s
Description: Poznaj protokół przezczaszkowej neuromodulacji ultrasonograficznej u ludzi z wykorzystaniem otwartych narzędzi do planowania eksperymentów. Metoda obejmuje symulacje akustyczne i termiczne oraz precyzyjne mapowanie celów w głębokich strukturach mózgu.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Ta praca była częściowo wspierana przez Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada Discovery Grant, program INNOVAIT, Cumming Medical Research Fund, Canada Foundation for Innovation (Projekt 36703), Hotchkiss Brain Institute CAPRI Grant oraz Parkinson Association of Alberta Funding. GBP dziękuje za wsparcie ze strony Kanadyjskich Instytutów Badań nad Zdrowiem (FDN-143290) oraz Campus Alberta Innovates Chair Program.

High-Precision TUS: Planning and Execution with Acoustic and Thermal Simulations

Autorzy nie mają do zadeklarowania konfliktu interesów.

W tej metodzie przeprowadza się symulacje specyficzne dla danego obiektu w celu przewidywania i oceny możliwych skutków termicznych i mechanicznych wynikających z zastosowania TUS do mózgu. Zestawy danych między uczestnikami muszą pozostać oddzielone i starannie udokumentowane, ponieważ użycie nieprawidłowego skanu lub pliku danych doprowadzi do niedokładnych symulacji. Gdy zbieranych jest wiele skanów uczestników, a planowanie odbywa się razem, ważne jest, aby zapewnić prawidłowe etykietowanie obrazów i folderów oraz zachować ostrożność podczas sortowania i zapisywania plików.
Aby dokładnie przeprowadzić symulacje, czaszka musi być prawidłowo wymodelowana, aby uzyskać specyficzne dla danego przedmiotu zrozumienie właściwości akustycznych i geometrycznych. W związku z tym BabelBrain wymaga wykonania tomografii komputerowej lub skanu ZTE; jeśli żadna z nich nie jest dostępna, BabelBrain może użyć uproszczonej maski kości czaszki uzyskanej za pomocą narzędzia do zaklęć. Tomografia komputerowa dostarcza najdokładniejszych informacji o charakterystyce czaszki, aby przewidzieć, w jaki sposób ultradźwięki będą się rozchodzić w mózgu po zetknięciu się z czaszką. Osiąga się to poprzez wykorzystanie wokselizowanych informacji o kości czaszki, chociaż oszacowanie objętości kości jest nadal trudne do przewidzenia ze względu na jej niejednorodny charakter51. Jednak ostatnio ultrakrótkie sekwencje TE MRI, takie jak skan ZTE, zostały wykorzystane do określenia właściwości akustycznych czaszki i przeprowadzenia symulacji TUS. Rozdzielczość i kontrast pikseli kostnych nie są tak wysokie na obrazie ZTE, jak w tomografii komputerowej; jednak w porównaniu z uproszczonymi maskami pochodzącymi tylko z rezonansu magnetycznego T1-w i T2-w, obrazy ZTE nadal zapewniają lepsze oszacowanie ogrzewania, a symulacje TUS52 mają przewidywania podobne do tych wykonanych za pomocą skanów CT53. Wykorzystanie skanów ZTE w symulacjach eliminuje niepotrzebne narażenie na promieniowanie i dodatkowy czas potrzebny na uzyskanie rentgenowskich obrazów CT, ponieważ sekwencje ZTE można dodać do oryginalnej sesji skanowania MRI. Jednak protokoły ZTE nie są standardowym produktem w większości skanerów MRI i wymagane są dodatkowe badania w celu ulepszenia przetwarzania końcowego opartego na ZTE do użytku w modelowaniu TUS. Jeśli ani obrazy CT, ani ZTE nie są dostępne, narzędzie do tworzenia uroku używane z BabelBrain tworzy uproszczoną maskę na podstawie obrazów T1 i T2-w w celu przewidywania cech czaszki. Porównanie symulacji przeprowadzonych za pomocą tomografii komputerowej w porównaniu z uproszczoną maską wykazało minimalne różnice w kierowaniu (1,00 mm ± 1,3 mm) i mechanicznym przemieszczeniu (kierunek x 0,2 mm ± 0,4 mm; kierunek y 0,1 mm ± 0,5 mm) wymaganych do osiągnięcia celu, jednak nieco inny rozkład intensywności (długość ostrości 6% ± 8%; szerokość ostrości 2,7% ± 2%; objętość ostrości 10,4% ± 16%; ciśnienie szczytowe -0,5% ± 15% dla uproszczonych maska w stosunku do CT)36. To pokazuje, że tomografia komputerowa zapewnia dokładniejsze symulacje; jednakże, jeśli nie można wykorzystać skanu CT lub ZTE, uproszczona maska jest wystarczająca do przeprowadzenia symulacji do eksperymentów TUS na ludziach.
Metody mapowania właściwości akustycznych pozostają niezbędnym obszarem badań, ponieważ przewidywanie prędkości dźwięku i tłumienia na podstawie obrazów CT i MR nadal wymaga lepszego zrozumienia i usprawnienia przepływu pracy. W związku z tym pozostaje zastrzeżenie dotyczące potencjalnego odchylenia efektów termicznych lub mechanicznych od tego, co jest przewidywane w symulacji. Modelowanie efektów akustycznych w BabelBrain odbywa się za pomocą biblioteki BabelViscoFDTD54,55 o otwartym kodzie źródłowym, która umożliwia modelowanie zarówno liniowej transmisji fali ściskającej, jak i poprzecznej. Model ten został zweryfikowany w porównaniu z wieloma innymi modelami pod kątem położenia, rozmiaru i wielkości ostrości, różniących się o mniej niż 10% pod względem ciśnienia ogniskowego i mniej niż 1 mm w ustawieniu ogniskowej56. Symulacje akustyczne są zatem zgodne z innymi modelami symulacyjnymi. Przewidywania termiczne są trudniejsze i nie zostały potwierdzone eksperymentalnie, ponieważ termometrii MR nie można wykonać w czaszce, a oczekuje się, że zmiany temperatury będą bardzo małe, co stwarza źródło niepewności. Modelowanie termiczne zastosowane w BabelBrain jest spójne między artykułami, rozwiązując równanie transferu biociepła (BHTE) w celu symulacji ogrzewania czaszki poprzez modelowanie dyfuzji termicznej, efektów perfuzji i mocy akustycznej36,51. Szacunki wzrostu temperatury na podstawie modeli tłumienia i absorpcji są wykorzystywane do przewidywania skutków w czaszce za pomocą TUS w oparciu o inną opublikowaną literaturę57, służąc jako najlepsza do tej pory alternatywa dla symulacji ogrzewania czaszki. Jak widać w opisanych metodach, użytkownik określa czas trwania ultradźwięków, czas wolny po ultradźwiękach, cykl pracy i pożądane przestrzenne szczytowe natężenie impulsu w warunkach mózgu, przy czym parametry bezpieczeństwa są obliczane w funkcji doboru parametrów. W związku z tym użytkownik musi sprawdzić wszystkie parametry, które mają być zastosowane, aby upewnić się, że mieszczą się one w wymaganiach bezpieczeństwa. Zaobserwowano również, że różne systemy neuronawigacyjne używane do pozycjonowania przetwornika nad obszarem zainteresowania mają błąd rejestracji celu wynoszący około 3 mm 38,58,59. Jednak w zależności od zastosowanej częstotliwości i wielkości celu, ognisko może być nadal wystarczająco duże, aby pokryć cel, nawet przy błędzie 3 mm. Chociaż może to być ograniczeniem, nadal oferuje większe korzyści w porównaniu z alternatywnymi systemami nawigacyjnymi ze względu na inwazyjność stereotaktycznych metod lokalizacji.
BabelBrain usprawnia etapy planowania wymagane do ukończenia eksperymentów TUS na ludziach, ponieważ jest wydajny, łatwy w użyciu i jest jedynym jak dotąd dostępnym narzędziem do planowania typu open source. Pozwala to na przejrzystość metod eksperymentalnych w publikowanej literaturze, ponieważ stosowane skrypty są powszechnie dostępne. Opisana metoda uzupełnia etapy przygotowania danych i przetwarzania obrazu, eliminując potrzebę stosowania niestandardowych skryptów lub jakiejkolwiek współpracy zewnętrznej w celu przeprowadzenia symulacji. W związku z tym usuwa główną barierę dla eksperymentatorów, umożliwiając im bezpośrednie wykonywanie planowania i symulacji oraz umożliwiając większej liczbie laboratoriów przeprowadzenie udanych eksperymentów TUS. Oprócz prospektywnego planowania eksperymentów, metoda ta ma również potencjalne zastosowania w planowaniu terapii FUS za pośrednictwem kawitacji36, takich jak otwarcie bariery krew-mózg59. Ogólnie rzecz biorąc, metoda ta zapewnia skuteczne, usprawnione podejście do planowania i wdrażania eksperymentów TUS na ludziach oraz opracowywania TUS do stosowania w warunkach klinicznych.

Powszechnie stosowane techniki neurostymulacji nieinwazyjnej obejmują przezczaszkową stymulację prądem stałym (tDCS) i przezczaszkową stymulację magnetyczną (TMS). Jednak oba mają ograniczoną głębokość penetracji i niską precyzję1,2. Z kolei ultrasonografia przezczaszkowa (TUS) jest nową nieinwazyjną techniką zdolną do zwiększania lub tłumienia aktywności neuronalnej3,4,5 i celowania w struktury korowe lub podkorowe z dokładnością do milimetra6,7. Modele zwierząt wykorzystujące gryzonie4,8,9, króliki10, sheep5,11, swine6, oraz naczelne niebędące ludźmi7,12,13,14 wykazały skuteczność i bezpieczeństwo stosowania TUS. Badania wykazały, że celowanie w różne obszary mózgu może wywoływać ruchy kończyn8 u szczurów, somatosensoryczne potencjały wywołane (SSEP) u świń6 oraz zmiany w aktywności wzrokowo-ruchowej12, poznawcze i motywacyjne podejmowanie decyzji u naczelnych innych niż ludzie13 wśród innych zmian w zachowaniu. U ludzi zaobserwowano, że TUS zmienia motoryczne potencjały wywołane (MEP) i wydajność w zadaniu czasu reakcji podczas celowania w pierwszorzędową korę ruchową15,16 i zmienia wydajność w zadaniu dyskryminacji dotykowej i SSEP podczas celowania w korę somatosensoryczną17 i wzgórze sensoryczne18. Analizy histologiczne nie wykazały żadnych poważnych ani mikroskopijnych zmian strukturalnych związanych z TUS u świń6, sheep5,11, rabbits10 i naczelnych14, i nie zaobserwowano żadnych skutków ubocznych, które znacząco różniłyby się od innych nieinwazyjnych technik neurostymulacji19.
TUS używa pulsacyjnych, skoncentrowanych ultradźwięków o niskiej intensywności o częstotliwości od 200 kHz do 700 kHz do wytworzenia przejściowego efektu neuromodulacyjnego. Typowa średnia intensywność impulsów przestrzennych (Isppa) in situ wynosi 10 W/cm2 lub mniej, przy zgłaszanych cyklach pracy (procent czasu, w którym ultradźwięki są włączone) w zakresie od 0,5% do 70% u ludzi20,21,22,23,24. Chociaż zaproponowano, że mechanizmy neuromodulacji TUS obejmują głównie mechaniczne poruszenie błon lipidowych prowadzące do otwarcia kanałów jonowych25,26,27, nie można ignorować możliwych efektów termicznych i kawitacyjnych. Ocenia się je za pomocą wskaźników mechanicznych (MI) i termicznych (TI). MI opisuje przewidywane efekty biologiczne związane z kawitacją, które wystąpią w przypadku TUS, podczas gdy TI opisuje potencjalny wzrost temperatury w tkankach po zastosowaniu ultradźwięków28,29. Co więcej, zmiana częstotliwości i intensywności wejściowej powoduje również zmianę MI i TI. Wyższe częstotliwości mają lepszą rozdzielczość przestrzenną i zmniejszają prawdopodobieństwo wystąpienia mechanicznych efektów biologicznych; Mają jednak silniejsze wchłanianie w tkance, co zwiększa potencjał wzrostu temperatury28. Alternatywnie, niższe częstotliwości przy tym samym natężeniu zwiększają MI. Podobnie, zwiększenie intensywności ma tendencję do zwiększania wielkości mechanicznych i termicznych efektów biologicznych30. W związku z tym konieczne jest dokładne zaplanowanie i przeprowadzenie symulacji przed sesjami eksperymentalnymi dla wszystkich parametrów TUS, które zostaną wdrożone.
Planowanie eksperymentu TUS wymaga identyfikacji celu i trajektorii zainteresowania oraz przeprowadzenia symulacji termicznych i akustycznych. Symulacje pomagają w optymalizacji efektów mechanicznych i łagodzeniu skutków termicznych TUS na tkanki. Wymagają zrozumienia przewidywania ogrzewania czaszki, amplitudy ciśnienia ultradźwięków w punkcie ogniskowym, korekcji ogniskowej i innego ogrzewania w obrębie czaszki i skóry. Odpowiednia symulacja zapewnia, że punkt ogniskowy osiągnie cel zainteresowania i parametry bezpieczeństwa stosowania ultradźwięków określone w wytycznych bezpieczeństwa biofizycznego zgodnie z zaleceniami Międzynarodowego Konsorcjum ds. Bezpieczeństwa i Standardów Przezczaszkowej Stymulacji Ultradźwiękowej (ITRUSST)31, które są oparte na zaleceniach FDA i Health Canada, są przestrzegane. Ostatnie badania wykazały również efekt zakłócający słuch, któremu towarzyszy TUS32,33,34 u zwierząt i ludzi, przy czym stymulacja TUS może aktywować ścieżki słuchowe w mózgu w celu wywołania reakcji32,33,34. Przecięcie nerwów słuchowych 32, usunięcie płynu ślimakowego32, lub głuchota chemiczna33 u gryzoni zostały zastosowane w celu zmniejszenia tych efektów u zwierząt. U ludzi podawanie tonu dźwiękowego przez słuchawki zostało wykorzystane do skutecznego maskowania hałasu słuchowego z TUS, kontrolując aktywność słuchową wywołaną przez TUS conconfusing34. Podkreśla to potrzebę kontrolowania hałasu słuchowego w warunkach pozorowanej stymulacji, która musi być uwzględniona w planowaniu, projektowaniu i wdrażaniu protokołu.
Tutaj prezentujemy przewodnik, jak prawidłowo przeprowadzić przygotowanie (krok 1, krok 2), planowanie (krok 3), symulacje (krok 4) i dostarczenie TUS (krok 5) wymagane do przeprowadzenia eksperymentu neuromodulacji TUS u ludzi.

<table><tbody><tr><td>128-kanałowy wzmacniacz</td><td>Terapia sterowana obrazem</td><td></td><td>Ta jednostka napędza przetwornik H-317</td></tr><tr><td>24-kanałowa cewka głowicy</td> Drukarka 3D <td>General Electric</td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td>Raise3D</td><td>Pro2</td><td>Grubość filamentu 1,75 mm.</td></tr><tr><td>Skaner MRI 3T</td><td>General Electric</td><td>Discovery 750 HD</td><td>MR Wersja konsoli DV26.0_R05_2008</td></tr><tr><td>BabelBrain</td><td>Samuel Pichardo (University of Calgary)</td><td>Wersja 0.3.0</td><td>Dostępna pod adresem https://github.com/ProteusMRIgHIFU/BabelBrain. Wykonuje symulacje termiczne i akustyczne.</td></tr><tr><td>Blender</td><td>Blender Foundation</td><td>w wersji 3.4.1</td><td>dostępny pod adresem https://www.blender.org. Blender jest wywoływany automatycznie przez BabelBrain.</td></tr><tr><td>Brainsight</td><td>Rogue Research</td><td>Version 2.5.2</td><td>Służy do identyfikacji celów, planowania trajektorii i wykonywania sesji dostarczania TUS.</td></tr><tr><td>Krzesło i uchwyt na podbródek/głowę</td><td>Rogue Research</td><td></td><td>Do wykorzystania podczas sesji porodowej TUS w celu zapewnienia stabilności uczestnika" s głowa do optymalnego kierowania.</td></tr><tr><td>Wykonany na zamówienie stożek sprzęgający</td> Zespół <td></td><td>University of Calgary</td><td>Wydrukowany w 3D stożek z akrylonitryl-butadien-styren (ABS), wymagany tylko dla przetwornika H-317.</td></tr><tr><td>dcm2niix</td><td>Chris Rorden (Uniwersytet Południowej Karoliny)&nbsp;</td><td>Wersja 1.0.20220720</td><td>dostępna pod adresem https://github.com/rordenlab/dcm2niix/releases. Służy do wstępnego przetwarzania obrazów MR obiektu.</td></tr><tr><td>Powiernicy i opaska na głowę lub okulary</td><td>Brainsight, Rogue Research&nbsp;</td><td>ST-1325 (śledzenie obiektów), LCT-583 (śledzenie dużej cewki)</td><td>Opaska na głowę lub okulary mogą być używane zamiennie.</td></tr><tr><td>Słuchawki</td><td>Beats</td><td>Fit Pro True Wireless Earbuds</td><td>Bezprzewodowe słuchawki douszne Bluetooth z jednorazowymi końcówkami.</td></tr><tr><td>MacBookPro</td><td>Apple</td><td>M2 Max, 16", 64 GB pamięci RAM</td><td>Komputer do planowania trajektorii i symulacji</td></tr><tr><td>SimNIBS</td><td>Axel Thielscher (Duński Uniwersytet Techniczny)</td><td>Wersja 4.0.0</td><td>Dostępna pod adresem https://simnibs.github.io/simnibs/build/html.index.html</td></tr><tr><td>Strzykawka(y)</td><td></td> <td>10 mL, 60 ml</td><td>Służy do dodawania dodatkowego żelu ultradźwiękowego w celu wypełnienia kieszeni powietrznych.</td></tr><tr><td>Przetwornik</td><td>Sonicconcepts</td><td>H-317</td><td>Inne obsługiwane przetworniki to CTX_500 (NeuroFUS, Sonicconcepts), Pojedynczy element, H-246 (Sonicconcepts) i Bsonix (Brainsonix)Folia</td></tr> <tr><td>przetwornika</td><td>Sonicconcepts</td><td>Membrana poliuretanowa</td><td>Interfejs między przetwornikiem a obiektem</td></tr><tr><td>Żel ultradźwiękowy</td><td>Długość fali</td><td>Przezroczysty żel ultradźwiękowy</td><td>Medium sprzęgające.</td></tr><tr><td>Windows Laptop</td><td>Acer</td><td>Aspire A717-71G, Intel Core i7-7700HQ, 16 GB RAM</td><td>System służy do sterowania 128-kanałowym wzmacniaczem i generowania dźwięku przez słuchawki</td></tr></tbody></table>

pipeline do planowania i wykonywania eksperymentów z przezczaszkową neuromodulacją ultrasonograficzną u ludzi

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

Przezczaszkowa stymulacja ultradźwiękowa (TUS) to nowa nieinwazyjna technika neuromodulacji, zdolna do manipulowania zarówno strukturami korowymi, jak i podkorowymi z dużą precyzją. Przeprowadzanie eksperymentów z udziałem ludzi wymaga starannego planowania symulacji akustycznych i termicznych. Planowanie to jest niezbędne do dostosowania się do ingerencji kości w kształt i trajektorię wiązki ultradźwięków oraz do zapewnienia, że parametry TUS spełniają wymogi bezpieczeństwa. T1- i T2-zależne, wraz z obrazowaniem rezonansu magnetycznego (MRI) echem zerowym (ZTE) z rozdzielczością izotropową 1 mm, są rejestrowane (alternatywnie skany rentgenowskie tomografii komputerowej (CT)) do rekonstrukcji czaszki i symulacji. Mapowanie celu i trajektorii odbywa się za pomocą platformy neuronawigacyjnej. SimNIBS służy do wstępnej segmentacji czaszki, skóry i tkanek mózgu. Symulacja TUS jest przeprowadzana za pomocą narzędzia BabelBrain, które wykorzystuje skan ZTE do tworzenia syntetycznych obrazów CT czaszki, które mają zostać przekształcone w właściwości akustyczne. Używamy przetwornika ultradźwiękowego Phased Array z możliwością elektrycznego sterowania. Układ kierowniczy Z jest regulowany tak, aby zapewnić osiągnięcie docelowej głębokości. Inne konfiguracje przetworników są również obsługiwane w narzędziu do planowania. Symulacje termiczne są przeprowadzane w celu upewnienia się, że wymagania dotyczące temperatury i indeksu mechanicznego mieszczą się w wytycznych akustycznych dla TUS u ludzi, zgodnie z zaleceniami FDA. Podczas sesji dostarczania TUS, mechaniczne ramię pomaga w przemieszczaniu przetwornika do wymaganej lokalizacji za pomocą bezramkowego stereotaktycznego systemu lokalizacji.

Rysunek 7&#160;ilustruje porównawcze próbki sesji z jednego z naszych badań42, przedstawiające dwóch różnych uczestników poddanych działaniu specyficznych parametrów ultradźwięków (częstotliwość podstawowa 250 kHz, czas sonikacji 120 s, częstotliwość repetycji impulsów (PRF) 100 Hz, cykl pracy 10% oraz ISPPA 5 W/cm²). W badaniu tym u osób zdrowych neurologicznie wykonano skany MRI T1-, T2-w oraz ZTE z izotropową rozdzielczością 1 mm. TMS skierowano na pierwotną korę ruchową (M1), aby ocenić wpływ różnych PRF TUS (10 Hz, 100 Hz i 1000 Hz) na pobudliwość korowo-rdzeniową w różnych punktach czasowych przed i po TUS (30 pomiarów TMS pojedynczym impulsem w każdym punkcie czasowym, co wskazują poszczególne punkty na rysunku). Rysunek 7 obejmuje wyniki z udanego eksperymentu, wykazujące przedłużony efekt hamujący po TUS (Rysunek 7A), a także dane od uczestnika, u którego nie zaobserwowano istotnego efektu (Rysunek 7B). We wcześniejszych badaniach TUS zgłaszano, że niektórzy uczestnicy nie wykazują żadnych istotnych efektów związanych ze stymulacją ultradźwiękową45,46. Podobne wyniki zaobserwowano w badaniach z wykorzystaniem TMS47,48 oraz tDCS49,50, co pokazuje, że techniki NIBS nie zawsze przynoszą oczekiwane efekty. Podkreśla to konieczność starannego planowania i przeprowadzania eksperymentów TUS u ludzi z zastosowaniem protokołów takich jak opisany, aby zmaksymalizować szansę na sukces eksperymentalny.
Badanie przeprowadzone przez Zadeh i wsp.42 podkreśla zróżnicowane efekty TUS, wykazując, że PRF o częstotliwości 10 Hz i 100 Hz mogą indukować przedłużone efekty hamujące, w przeciwieństwie do pomijalnego wpływu zaobserwowanego przy PRF 1000 Hz. Co istotne, badania dowodzą, że PRF 100 Hz jest najskuteczniejszy, osiągając przedłużone tłumienie MEP przekraczające 60 min, w przeciwieństwie do 30 min tłumienia uzyskanego przy PRF 10 Hz. Można zastosować alternatywne metody oceny efektu TUS, takie jak pomiar SSEPs lub wydajność w wykonywaniu zadań, z których każda wymaga odrębnej interpretacji wyników.
<img alt="Rysunek 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66972/66972fig07.jpg" /> 
Rysunek 7: Przezczaszkowa stymulacja magnetyczna (TMS) skierowana na pierwszorzędową korę ruchową (M1) w celu oceny wpływu różnych częstotliwości powtarzania impulsów (PRF) TUS na pobudliwość korowo-rdzeniową. TUS była podawana z częstotliwością podstawową 250 kHz, czasem sonikacji 120 s, częstotliwością powtarzania impulsów (PRF) 100 Hz, cyklem pracy 10% oraz ISPPA wynoszącym 5 W/cm2. W każdym punkcie czasowym zarejestrowano trzydzieści prób, co zaznaczono poszczególnymi kropkami. Przedstawione wyniki uwydatniają różnice w medianie znormalizowanej amplitudy MEP po 5 min, 30 min i 60 min od ekspozycji na TUS. Słupki błędów przedstawiają rozstęp międzykwartylowy dla prób w każdym punkcie czasowym. (A) Osoba badana wykazująca pomyślne wyniki eksperymentalne, obrazujące przedłużone efekty hamowania. (B) Osoba badana niewykazująca istotnego efektu. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66972/66972fig07large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>

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.

Pipeline do planowania i wykonywania eksperymentów z przezczaszkową neuromodulacją ultrasonograficzną u ludzi

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

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.

pipeline-for-planning-execution-transcranial-ultrasound

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Neuronauka

Przezczaszkowa ultrastymulacja (TUS) to obiecująca, nieinwazyjna technika zdolna do stymulacji ludzkiego mózgu na dowolnej głębokości, oferując nowe możliwości terapeutyczne w leczeniu różnych schorzeń neurologicznych. Protokół ten zapewnia ustandaryzowane, a jednocześnie elastyczne ramy empiryczne do stosowania TUS u neurotypowych dorosłych oraz pacjentów z chorobami neurologicznymi, takimi jak udar.

Protokół metodologiczny i rozważania dotyczące przezczaszkowej stymulacji ultradźwiękowej w eksploracyjnych badaniach klinicznych na ludziach

Funkcjonalna dopplerowska sonografia przezczaszkowa (fTCD) to prosta i nieinwazyjna technika ultradźwiękowa, która może być wykorzystywana do oceny lateralizacji funkcji poznawczych, zwłaszcza mowy, i nadaje się do stosowania u dzieci.

Ocena lateralizacji mózgowej u dzieci z wykorzystaniem funkcjonalnego dopplerowskiego ultrasonografu przezczaszkowego (fTCD)

Przezczaszkowa stymulacja prądem stałym (tDCS) jest uznaną techniką modulacji pobudliwości kory mózgowej1,2. Ze względu na wpływ na plastyczność kory, łatwość obsługi oraz profil bezpieczeństwa, metoda ta jest wykorzystywana jako narzędzie badawcze w neuronauce. Jednym z obszarów, w którym tDCS wykazuje obiecujące wyniki, jest łagodzenie bólu 3-5.

Pozycjonowanie i montaż elektrod w przezczaszkowej stymulacji prądem stałym

Niniejsza prezentacja wideo przedstawia metodę pozyskiwania dwóch najważniejszych, silnie unaczynionych struktur wspierających funkcje przedmózgowia. Są to naczynia powierzchniowe kory mózgowej wraz z powiązanymi z nimi oponami (MAV) oraz sploty naczyniowe, które są niezbędne dla przepływu krwi mózgowej i homeostazy płynu mózgowo-rdzeniowego (CSF).

Wizualny opis sekcji naczyń powierzchniowych mózgowia oraz powiązanych opon mózgowych i splotów naczyniowych z mózgu szczura

Przezczaszkowa stymulacja prądem przemiennym (tACS) pozwala na modulację pobudliwości kory mózgowej w sposób specyficzny dla częstotliwości. Tutaj pokazujemy unikalne podejście, które łączy tACS online z jednopulsową przezczaszkową stymulacją magnetyczną (TMS) w celu "zbadania" pobudliwości kory mózgowej za pomocą motorycznych potencjałów wywołanych.

Wpływ przezczaszkowej stymulacji prądem przemiennym na pierwotną korę ruchową metodą online z przezczaszkową stymulacją magnetyczną

Połączone zastosowanie przezczaszkowej stymulacji prądem stałym i terapii robotycznej jako dodatek do konwencjonalnej terapii rehabilitacyjnej może skutkować lepszymi wynikami terapeutycznymi dzięki modulacji plastyczności mózgu. W tym artykule opisujemy łączone metody stosowane w naszym instytucie w celu poprawy sprawności motorycznej po udarze mózgu.

Łączne zastosowanie przezczaszkowej stymulacji prądem stałym i terapii robotycznej kończyny górnej

Ten protokół określa kroki niezbędne do dostarczenia genu poprzez skoncentrowanie ultradźwięków na otwarciu bariery krew-mózg (BBB), ocenę wynikowej ekspresji genu oraz pomiar aktywności neuromodulacyjnej receptorów chemogenetycznych za pomocą testów histologicznych.

Zogniskowane ultradźwięki indukowane otwieraniem bariery krew-mózg w celu celowania w struktury mózgu i oceny neuromodulacji chemogenetycznej

Ten manuskrypt przedstawia nowy protokół umożliwiający jednoczesne zastosowanie przezczaszkowej stymulacji prądem stałym podczas ekspozycji na sygnały związane z traumą w strefie wojennej za pomocą wirtualnej rzeczywistości dla weteranów z zespołem stresu pourazowego.

Jednoczesne zastosowanie przezczaszkowej stymulacji prądem stałym podczas ekspozycji na rzeczywistość wirtualną

Celem tego manuskryptu jest przedstawienie metody opartej na ultrasonografii, która pozwala na obrazowanie in vivo przepływu krwi w tętnicach mózgowych u myszy. Pokazujemy jego zastosowanie do określania zmian prędkości przepływu krwi związanych ze skurczem naczyń krwionośnych w mysich modelach krwotoku podpajęczynówkowego (SAH).

Analiza skurczu naczyń krwionośnych mózgu w mysim modelu krwotoku podpajęczynówkowego z przezczaszkowym ultrasonografem dupleksowym o wysokiej częstotliwości

Ten protokół opisuje kwantyfikację wolumetrycznych zmian hemodynamicznych mózgu w mózgu myszy za pomocą funkcjonalnych ultradźwięków (fUS). Procedury dla mapy aktywacji funkcjonalnej 3D po stymulacji sensorycznej, a także łączności funkcjonalnej w stanie spoczynku są przedstawione jako przykłady ilustracyjne u myszy znieczulonych i obudzonych.

Aktywacja 3D całego mózgu i mapowanie łączności funkcjonalnej u myszy przy użyciu przezczaszkowego funkcjonalnego obrazowania ultrasonograficznego

Poznaj protokół przezczaszkowej neuromodulacji ultrasonograficznej u ludzi z wykorzystaniem otwartych narzędzi do planowania eksperymentów. Metoda obejmuje symulacje akustyczne i termiczne oraz precyzyjne mapowanie celów w głębokich strukturach mózgu.

Pipeline do planowania i wykonywania eksperymentów z przezczaszkową neuromodulacją ultrasonograficzną u ludzi

Przeglądaj więcej filmów