[論文レビュー] A Practical Guide to Transcranial Ultrasonic Stimulation from the IFCN-endorsed ITRUSST Consortium

Keith R. Murphy, Tulika Nandi+14 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2024

Traumatic Brain Injury and Neurovascular Disturbances被引用数 4

ひとこと要約

IFCNが承認したITRUSSTコンsortiumが開発した実用的ガイドは、人間における安全で効果的な経頭蓋超音波刺激（TUS）の包括的で根拠に基づいた推奨事項を提供する。超音波物理学、トランスデューサー選定、実験設計、安全性プロトコル、神経画像法や電気生理学との統合をカバーし、多様な研究背景を持つ研究者による再現性があり高品質な研究を可能にする。

ABSTRACT

Low-intensity Transcranial Ultrasonic Stimulation (TUS) is a non-invasive brain stimulation technique enabling cortical and deep brain targeting with unprecedented spatial accuracy. Given the high rate of adoption by new users with varying levels of expertise and interdisciplinary backgrounds, practical guidelines are needed to ensure state-of-the-art TUS application and reproducible outcomes. Therefore, the International Transcranial Ultrasonic Stimulation Safety and Standards (ITRUSST) consortium has formed a subcommittee, endorsed by the International Federation of Clinical Neurophysiology (IFCN), to develop recommendations for best practice in TUS applications in humans. The practical guide presented here provides a brief introduction into ultrasound physics and sonication parameters. It explains the requirements of TUS lab equipment and transducer selection and discusses experimental design and procedures alongside potential confounds and control conditions. Finally, the guide elaborates on essential steps of application planning for stimulation safety and efficacy, as well as considerations when combining TUS with neuroimaging, electrophysiology, or other brain stimulation techniques. We hope that this practical guide to TUS will assist both novice and experienced users in planning and conducting high-quality studies and provide a solid foundation for further advancements in this promising field.

研究の動機と目的

• 研究者による専門知識のばらつきが著しい中で、人間を対象とした経頭蓋超音波刺激（TUS）の標準化されたベストプラクティスを確立すること。
• 照射パラメータ、機器、実験設計に関する根拠に基づいたガイドラインを通じて、TUS応用の安全性と再現性を確保すること。
• 異なる分野の研究者が適切なトランスデューサーを選定し、刺激プロトコルを計画し、TUSを神経画像法や電気生理学的手法と統合できるように支援すること。
• TUS実験における潜在的な混同要因と対照条件を適切に管理することで、実験の妥当性を向上させること。
• 空間的精度が非常に高い非侵襲的脳刺激分野を発展させる基盤的リソースを提供すること。

提案手法

• 本ガイドは、国際臨床神経生理学連合（IFCN）が承認したITRUSSTコンソsortiumの専門家によるコンSENSUSに基づき、TUS物理学および応用分野における最新の知見を統合したものである。
• 経頭蓋刺激に関連する、音響圧力、強度、周波数、パルスパラメータなどの主要な超音波物理学の原則を概説する。
• 標的脳領域に適合させるために、中心周波数、焦点深度、ビーム幅、トランスデューサーの幾何学的形状などの基準に従ってトランスデューサー選定が行われる。
• バイアスを低減するため、シャム刺激コントロール、ランダム化、ブロッキングを含む体系的な実験設計が強調される。
• 熱的・機械的インデックスの監視、規制上限値への準拠、リアルタイムの生理的モニタリングを含む、詳細な安全性プロトコルが提示される。
• 同期化、アーティファクト管理、時間的整合性戦略を通じて、神経画像法（例：fMRI、EEG）や他の脳刺激技術との統合が説明される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 人間における安全で効果的な経頭蓋刺激に最適な超音波パラメータ（周波数、強度、ドーリー・サイクル）は何か？
• RQ2 特定の皮質および皮質下脳領域を標的にするため、研究者が適切なトランスデューサーをどのように選定できるか？
• RQ3 TUS研究における妥当性と再現性を保証するために、どのような実験的コントロールおよび設計的特徴が必要か？
• RQ4 TUSを神経画像法や電気生理学的記録と安全かつ効果的に組み合わせるにはどうすればよいか？
• RQ5 TUSの臨床的および研究的応用において、必須となる安全性指標とモニタリング手順は何か？

主な発見

• 本ガイドは、多様な研究環境において再現性を著しく向上させるTUS応用の標準化されたベストプラクティスを確立した。
• 標的深度、焦点サイズ、ビーム特性に基づく明確なトランスデューサー選定基準を提供し、正確な皮質および深部脳刺激を実現した。
• シャム刺激、ブロッキング、対照条件の導入が、バイアスを低減し実験の妥当性を確保するために不可欠であると強調された。
• 熱的・機械的インデックスのしきい値、リアルタイムモニタリング、国際的安全基準への準拠を含む、体系的な安全性プロトコルが詳細に提示された。
• 同期化技術とアーティファクト低減戦略を通じて、TUSと神経画像法・電気生理学の統合が支援された。
• 本ガイドは、初心者から経験豊富な研究者まで、高品質で信頼性の高いTUS研究を促進する基盤的リファレンスとして機能する。