[论文解读] 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 ApplicationsEngineering参考文献 4被引用 17

一句话总结

本研究首次在人体中证明，经颅聚焦超声（tFUS）可非侵入性地调节靶向脑区的血氧水平依赖性（BOLD）fMRI信号，实现毫米级空间精度。通过使用低强度声学能量的聚焦超声，研究人员在初级运动皮层观察到显著且可逆的BOLD信号变化，验证了tFUS作为具有高空间分辨率的非侵入性神经调控工具的潜力。

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.

研究动机与目标

• 研究经颅聚焦超声（tFUS）是否可调节人体中的BOLD fMRI信号。
• 评估tFUS诱导的fMRI信号变化在人体大脑中的空间精度与可逆性。
• 确立tFUS作为现有神经调控技术的非侵入性替代方案，具备更优的空间分辨率。
• 探索利用tFUS非侵入性靶向皮层下结构的可行性。

提出的方法

• 使用相控阵换能器将经颅聚焦超声应用于健康受试者的初级运动皮层。
• 采用BOLD fMRI监测超声暴露前、期间及之后的血流动力学反应。
• 超声参数包括1.5 MHz的低强度聚焦超声（LIFU），声强低于1 W/cm²。
• 为避免热损伤或机械性组织损伤，tFUS以短时脉冲（例如10–30秒）方式施加。
• 使用3T MRI扫描仪，采用回波平面成像（EPI）序列采集fMRI数据。
• 通过比较tFUS暴露期间与基线状态下靶区BOLD信号强度的变化，量化信号变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 经颅聚焦超声是否可在人体大脑中诱导可测量且局部化的BOLD fMRI信号变化？
• RQ2 tFUS调节在皮层区域是否表现出空间特异性和可逆性？
• RQ3 tFUS能否利用BOLD fMRI作为读出手段，以毫米级精度非侵入性地靶向皮层下结构？
• RQ4 不同tFUS参数（如强度、持续时间）如何影响BOLD信号调节的幅度与持续时间？

主要发现

• tFUS应用在初级运动皮层引起显著且可逆的BOLD信号增加，峰值信号变化达基线水平的1.5%。
• BOLD信号调节具有空间局限性，相邻脑区信号变化极小，证实了毫米级精度。
• 信号变化在tFUS暴露期间出现，并在停止后数秒内恢复至基线水平，表明其为短暂且可逆效应。
• 未报告不良反应或组织损伤，支持所用参数下低强度tFUS的安全性。
• 结果表明tFUS可引发人体大脑中可检测的血流动力学反应，验证了其在非侵入性神经调控中的潜力。
• 本研究首次提供了tFUS诱导人体BOLD信号调节的在体证据，为临床应用铺平了道路。