[論文レビュー] Optically-generated focused ultrasound for noninvasive brain stimulation with ultrahigh precision

Yue‐Ming Li, Ying Jiang+10 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2022

Pain Management and Treatment被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、ろうそくの煤のナノ粒子を曲がったポリジメチルシロキーン膜に埋め込んだ柔ららかな光圧パッド（SOAP）を用いて、光学的に生成された焦点付近超音波（OFUS）を導入し、83 µmの横方向分解能を達成した。これは従来の頭蓋内焦点付近超音波（tFUS）と比較して2桁以上優れた分解能である。この手法により、0.6 mJ/cm²の音響エネルギーで非侵襲的かつサブミリメートル精度のマウス運動皮質への刺激が可能となり、tFUSと比較して4桁低いエネルギーで実現された。神経科学的および治療的応用に向けた超高精度ニューロモジュレーションの可能性が示された。

ABSTRACT

High precision neuromodulation is a powerful tool to decipher neurocircuits and treat neurological diseases. Current non-invasive neuromodulation methods offer limited precision at the millimeter level. Here, we report optically-generated focused ultrasound (OFUS) for non-invasive brain stimulation with ultrahigh precision. OFUS is generated by a soft optoacoustic pad (SOAP) fabricated through embedding candle soot nanoparticles in a curved polydimethylsiloxane film. SOAP generates a transcranial ultrasound focus at 15 MHz with an ultrahigh lateral resolution of 83 um, which is two orders of magnitude smaller than that of conventional transcranial-focused ultrasound (tFUS). Here, we show effective OFUS neurostimulation in vitro with a single ultrasound cycle. We demonstrate submillimeter transcranial stimulation of the mouse motor cortex in vivo. An acoustic energy of 0.6 mJ/cm^2, four orders of magnitude less than that of tFUS, is sufficient for successful OFUS neurostimulation. OFUS offers new capabilities for neuroscience studies and disease treatments by delivering a focus with ultrahigh precision non-invasively.

研究の動機と目的

• 先進的な神経科学的研究に向けたサブミリメートル空間分解能を持つ非侵襲的脳刺激法の開発。
• 現在の非侵襲的ニューロモジュレーション技術の限界である空間分解能（通常ミリメートルスケール）を克服すること。
• 効果的な刺激に必要な音響エネルギーを低減し、組織損傷のリスクを最小限に抑えること。
• 手術的介入なしに特定の神経回路を正確に標的にする能力を確保すること。
• in vitroおよびin vivoモデルにおける光学的に生成された焦点付近超音波（OFUS）の実現可能性の検証。

提案手法

• OFUSシステムは、ろうそくの煤のナノ粒子を曲がったポリジメチルシロキーン膜に埋め込んだ柔らかな光圧パッド（SOAP）を用い、光熱効果により超音波を生成する。
• レーザー照射によりSOAPが局所的に熱膨張を示し、15 MHzの高精度な焦点付近超音波を生成する。
• SOAPの曲がった幾何学的形状により、音響レンズ効果が発生し、100 µm未満の横方向分解能を達成する。
• 頭蓋内応用を想定した設計となっており、頭蓋骨を通過させた非侵襲的超音波送り込みが可能である。
• ナノ粒子の分布とレーザーパルス長を最適化することで音響エネルギーを最小限に抑え、わずか0.6 mJ/cm²のエネルギーで効果的な刺激を実現した。
• in vivoでの妥当性評価には、オプトジェネティクスおよび電気生理学的アッセイを用い、マウスの運動皮質への正確な活性化を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光学的に生成された焦点付近超音波は、頭蓋内脳刺激において100 µm未満の横方向分解能を達成できるか？
• RQ2 従来のtFUSと比較して4桁低い音響エネルギーで、有効なニューロモジュレーションを達成できるか？
• RQ3 OFUSは、マウスの体内において、運動皮質のような特定の脳領域を正確に非侵襲的に刺激できるか？
• RQ4 OFUSを用いた信頼性のある神経活性化に必要な最小音響エネルギーはどの程度か？
• RQ5 OFUSは、機能的脳回路のマップ作成に十分な空間分解能を有する神経回路の刺激に使用できるか？

主な発見

• OFUSシステムは83 µmの横方向分解能を達成し、これは従来の頭蓋内焦点付近超音波（tFUS）と比較して2桁以上優れた分解能であった。
• in vitroでの神経刺激は、単一の超音波サイクルで成功しており、高い時間分解能が示された。
• マウスの運動皮質におけるin vivo刺激はサブミリメートル精度を達成し、電気生理学的記録により正確な活性化が確認された。
• 有効な刺激に必要な音響エネルギーは0.6 mJ/cm²であり、これは一般的なtFUS応用と比較して4桁低い値であった。
• 柔らかな光圧パッド（SOAP）は、頭蓋骨や周囲組織を損傷させることなく、効率的な頭蓋内超音波焦点化を可能にした。
• OFUSシステムは複数回の試行において安定的かつ再現性のある性能を示し、臨床的および研究的応用の可能性を示した。