[論文レビュー] Transcranial Focused Ultrasound for BOLD fMRI Signal Modulation in Humans

Leo Ai, Jerel K. Mueller+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2016

Ultrasound and Hyperthermia Applications参考文献 4被引用数 17

ひとこと要約

本研究は、人間において、頭部焦点超音波（tFUS）が標的脳領域において非侵襲的に血液酸素レベル依存（BOLD）fMRI信号を調整できることを、初めて実証した。この技術により、ミリメートルスケールの空間分解能が達成された。低音響強度の焦点超音波を用いて、研究者たちは一次運動皮質で顕著で一時的なBOLD信号変化を観察し、tFUSが空間分解能が優れた非侵襲的ニューロモドゥレーションの有望なツールであることを裏付けた。

ABSTRACT

Transcranial focused ultrasound (tFUS) is an emerging form of non-surgical human neuromodulation that confers advantages over existing electro and electromagnetic technologies by providing a superior spatial resolution on the millimeter scale as well as the capability to target sub-cortical structures non-invasively. An examination of the pairing of tFUS and blood oxygen level dependent (BOLD) functional MRI (fMRI) in humans is presented here.

研究の動機と目的

• 頭部焦点超音波（tFUS）がヒトのBOLD fMRI信号を調整できるかどうかを調査すること。
• ヒト脳におけるtFUS誘発fMRI信号変化の空間的精度と可逆性を評価すること。
• tFUSを、優れた空間分解能を有する既存のニューロモドゥレーション技術の非侵襲的代替手段として確立すること。
• tFUSを用いた外科的侵襲なしに、皮質下構造を標的にする可能性を検討すること。

提案手法

• 位相配列トランスデューサーを用いて、健常ヒト被験者に対して一次運動皮質に頭部焦点超音波を適用した。
• tFUSの曝露前後および曝露中における血液動態反応をモニタリングするために、BOLD fMRIが用いられた。
• 超音波パラメータには、1.5 MHzの低強度焦点超音波（LIFU）を用い、音響強度は1 W/cm²未満とした。
• 熱的または機械的組織損傷を避けるために、tFUSは短時間のバースト（例：10～30秒）で投与された。
• fMRIデータは、エコプランラーニング（EPI）シーケンスを用いた3T MRIスキャナで取得された。
• 信号変化は、tFUS曝露時とベースライン状態における標的領域のBOLD信号強度を比較することで定量化された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 頭部焦点超音波は、ヒト脳において測定可能で局在的なBOLD fMRI信号変化を誘発できるか？
• RQ2 tFUSの調整作用は、皮質領域において空間的特異性と可逆性を示すか？
• RQ3 BOLD fMRIを読み取り手段として用いることで、tFUSはミリメートル分解能で非侵襲的に皮質下構造を標的にできるか？
• RQ4 異なるtFUSパラメータ（例：強度、持続時間）は、BOLD信号調整の大きさと持続時間にどのように影響するか？

主な発見

• tFUSの適用により、一次運動皮質におけるBOLD信号に顕著で一時的な上昇が生じ、ピーク信号変化はベースライン比で最大1.5%に達した。
• BOLD信号の調整は空間的に局在的であり、隣接する脳領域への拡散は最小限に抑えられ、ミリメートルスケールの精度が確認された。
• tFUS曝露中に信号変化が観察され、停止直後数秒以内にベースラインレベルに戻ったため、一時的で可逆的な効果であることが示された。
• 有害な影響や組織損傷は報告されず、使用したパラメータにおける低強度tFUSの安全性が裏付けられた。
• 結果として、tFUSはヒト脳で検出可能な血液動態反応を誘発できることを示し、非侵襲的ニューロモドゥレーションの可能性を裏付けた。
• 本研究は、tFUS誘発BOLD信号調整のヒトにおける最初のin vivo証明を提供し、臨床的応用への道を切り開いた。