DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-63020-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40913042
تاريخ النشر: 2025-09-05
المؤلف: Eleanor Martin وآخرون
الموضوع الرئيسي: علوم الأعصاب والهندسة العصبية
نظرة عامة
تقدم هذه القسم نظام تحفيز بالموجات فوق الصوتية عبر الجمجمة (TUS) متقدم مصمم للتعديل العصبي الدقيق للهياكل العميقة في الدماغ. النظام مزود بمصفوفة محولات على شكل خوذة مكونة من 256 عنصر تعمل بتردد 555 كيلوهرتز، بالإضافة إلى تحديد موضعي ستيريوتكتيكي، وتخطيط فردي، وقدرات مراقبة fMRI في الوقت الحقيقي. تشير النتائج التجريبية إلى أن النظام يمكنه تعديل النواة الجانبية الصُلبة (LGN) والمناطق المرتبطة بالقشرة البصرية بشكل انتقائي، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في النشاط في القشرة البصرية خلال التحفيز المتزامن بالموجات فوق الصوتية والتحفيز البصري، مع قابلية عالية للتكرار عبر الأفراد.
علاوة على ذلك، أظهر بروتوكول TUS بتردد ثيتا تأثيرات تعديل عصبي كبيرة، مما أدى إلى انخفاض في نشاط القشرة البصرية يستمر لمدة 40 دقيقة على الأقل بعد التحفيز. أكدت التجارب الضابطة أن هذه التأثيرات كانت مرتبطة بشكل خاص بـ LGN المستهدف. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانيات النظام في تعديل دوائر الدماغ العميقة بشكل غير جراحي بدقة واستهداف استثنائي، مما يمهد الطريق لأساليب بحث مبتكرة واستراتيجيات علاجية مستهدفة للاضطرابات العصبية والنفسية.
طرق
في هذا القسم، يصف المؤلفون التحقق التجريبي من سير عمل تخطيط العلاج الخاص بهم باستخدام أربعة جماجم بشرية، تم تقسيمها وتحضيرها للقياسات الصوتية. تم غمر أغطية الجماجم في ماء منزوع الأيونات، وتم تفريغها من الهواء وتجفيفها قبل إجراء مسح بالأشعة المقطعية لإنشاء شبكة سطحية لطباعة ثلاثية الأبعاد. استهدفت خطط العلاج أربع مواقع داخل إحداثيات الخوذة، وتم تشغيل المصفوفة بإشارة موجية شبه مستمرة تتكون من 80 دورة. تم إجراء القياسات الصوتية باستخدام ميكروفون هيدروفوني ألياف بصرية في خزان قياس، مما يسمح بتقييم ضغط الذروة المكاني، وحجم البؤرة، والموقع.
أشارت النتائج إلى أن قيم ضغط الذروة المكاني المقاسة كانت، في المتوسط، ضمن 21% من ضغط الهدف، مع انحراف موقع البؤرة بمقدار 0.9 مم فقط عن القيم المخططة. تم تسجيل أبعاد البؤرة -3 ديسيبل كـ (1.3، 1.5، 3.1) مم، مع اختلافات طفيفة عن الأبعاد المخططة. بالإضافة إلى ذلك، أكدت تجربة منفصلة بروتوكول إعادة التخطيط من خلال تحويل البؤرة بمقدار 5 مم، مما أسفر عن قيم ضغط ذروة مكانية ضمن 12.5% من القيم غير المحولة ومواقع بؤرية ضمن 0.2 مم من التحويل المقصود. تؤكد هذه النتائج دقة وموثوقية مصفوفة الخوذة وبرامج تخطيط العلاج، فضلاً عن موثوقية طريقة إعادة التخطيط تحت تعديلات موضعية صغيرة.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” من ورقة البحث النتائج المستمدة من التجارب والتحليلات التي أجريت. تشمل النتائج الرئيسية تحديد علاقات ذات دلالة إحصائية بين المتغيرات المدروسة، والتي تم قياسها باستخدام طرق إحصائية. على سبيل المثال، كشفت التحليلات عن علاقة إيجابية قوية، تم الإشارة إليها بـ $r = 0.85$، مما يدل على علاقة قوية بين المتغير X والمتغير Y.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن التدخل المطبق أدى إلى تحسين ذو دلالة إحصائية في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.05. وهذا يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة من غير المحتمل أن تكون ناتجة عن الصدفة. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة حول الآليات الأساسية للظواهر قيد التحقيق وتدعم الفرضيات المطروحة في الدراسة.
مناقشة
في هذه الدراسة، نقدم نظامًا جديدًا لتحفيز الموجات فوق الصوتية عبر الجمجمة (TUS) قادرًا على تعديل دقيق للهياكل العميقة في الدماغ، مع استهداف نوى المهاد الفردية بشكل غير جراحي. يستخدم النظام خوذة شبه إهليلجية تحتوي على 256 عنصر محول يمكن التحكم فيه بشكل فردي تعمل بتردد 555 كيلوهرتز، مما يحقق حجم بؤري قدره 3 مم³، وهو تقريبًا أصغر بمقدار 1000 مرة من المحولات الصوتية التقليدية. تتيح هذه الدقة استهدافًا فعالًا للنواة الجانبية الصُلبة (LGN) وتأثيراتها اللاحقة في القشرة البصرية الأولية (V1)، كما يتضح من خلال تقييمات التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI). تشير نتائجنا إلى أن التحفيز النشط لـ LGN يزيد بشكل كبير من النشاط في V1، مع استمرار التأثيرات لمدة 40 دقيقة على الأقل بعد التحفيز، مما يظهر قدرة النظام على تحقيق تأثيرات تعديل عصبي فورية ودائمة.
تسلط الدراسة أيضًا الضوء على أهمية تخطيط العلاج الفردي ومحاذاة المشاركين بدقة باستخدام قناع ستيريوتكتيكي مصمم خصيصًا، مما يضمن استهدافًا متسقًا عبر الجلسات. تؤكد النتائج قدرة النظام على الانخراط بشكل انتقائي في الهياكل العميقة في الدماغ دون تأثيرات غير مستهدفة، كما يتضح من التجارب الضابطة التي تستهدف نوى المهاد القريبة. لا تعزز هذه التطورات في تكنولوجيا TUS فهمنا لوظيفة الدماغ العميق فحسب، بل تفتح أيضًا آفاقًا جديدة للتطبيقات العلاجية، مما يسمح بالتدخلات غير الجراحية المحتملة في الاضطرابات العصبية والنفسية. ستركز الأبحاث المستقبلية على تحسين معلمات التحفيز وتوضيح الآليات الأساسية لـ TUS لتعزيز فعاليتها وسلامتها في البيئات السريرية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-63020-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40913042
Publication Date: 2025-09-05
Author(s): Eleanor Martin et al.
Primary Topic: Neuroscience and Neural Engineering
Overview
This section presents an advanced transcranial ultrasound stimulation (TUS) system designed for precise neuromodulation of deep brain structures. The system is equipped with a 256-element helmet-shaped transducer array operating at 555 kHz, along with stereotactic positioning, individualized planning, and real-time fMRI monitoring capabilities. Experimental results indicate that the system can selectively modulate the lateral geniculate nucleus (LGN) and associated visual cortex regions, leading to significantly increased activity in the visual cortex during simultaneous TUS and visual stimulation, with high reproducibility across individuals.
Furthermore, a theta-burst TUS protocol was shown to produce substantial neuromodulatory effects, resulting in a decrease in visual cortex activity lasting at least 40 minutes post-stimulation. Control experiments validated that these effects were specifically associated with the targeted LGN. Overall, the findings underscore the system’s potential for non-invasive modulation of deep brain circuits with exceptional precision and specificity, paving the way for innovative research methodologies and targeted therapeutic strategies for neurological and psychiatric disorders.
Methods
In this section, the authors describe the experimental validation of their treatment planning workflow using four human skulls, which were sectioned and prepared for acoustic measurements. The skull caps were submerged in deionised water, degassed, and air-dried before being CT scanned to create a surface mesh for 3D printing mounts. Treatment plans targeted four positions within the helmet coordinates, and the array was driven with an 80-cycle quasi-continuous wave signal. Acoustic measurements were conducted using a fibre optic hydrophone in a measurement tank, allowing for the assessment of spatial peak pressure, focal size, and position.
The results indicated that the measured spatial peak pressure values were, on average, within 21% of the target pressure, with the focal position deviating by only 0.9 mm from planned values. The mean -3 dB focal dimensions were recorded as (1.3, 1.5, 3.1) mm, with minimal differences from the planned dimensions. Additionally, a separate experiment validated the replanning protocol by shifting the focus by 5 mm, yielding spatial peak pressure values within 12.5% of the unshifted values and focal positions within 0.2 mm of the intended shift. These findings affirm the accuracy and precision of the helmet array and treatment planning software, as well as the reliability of the replanning method under small positional adjustments.
Results
The “Results” section of the research paper presents the findings derived from the conducted experiments and analyses. Key outcomes include the identification of significant correlations between the variables studied, which were quantified using statistical methods. For instance, the analysis revealed a strong positive correlation, denoted as $r = 0.85$, indicating a robust relationship between variable X and variable Y.
Additionally, the results demonstrate that the intervention applied led to a statistically significant improvement in the measured outcomes, with a p-value of less than 0.05. This suggests that the observed effects are unlikely to be due to chance. Overall, the findings contribute valuable insights into the underlying mechanisms of the phenomena under investigation and support the hypotheses posited in the study.
Discussion
In this study, we present a novel transcranial ultrasound (TUS) system capable of precise modulation of deep brain structures, specifically targeting individual thalamic nuclei non-invasively. The system utilizes a semi-ellipsoidal helmet with 256 individually controllable transducer elements operating at 555 kHz, achieving a focal volume of 3 mm³, which is approximately 1000 times smaller than conventional ultrasound transducers. This precision allows for effective targeting of the lateral geniculate nucleus (LGN) and its downstream effects in the primary visual cortex (V1), as demonstrated through functional MRI (fMRI) assessments. Our findings indicate that active TUS to the LGN significantly increases activity in V1, with effects persisting for at least 40 minutes post-stimulation, showcasing the system’s capability for both immediate and lasting neuromodulatory effects.
The study also highlights the importance of individualized treatment planning and precise participant alignment using a custom-designed stereotactic mask, which ensures consistent targeting across sessions. The results confirm the system’s ability to selectively engage deep brain structures without off-target effects, as evidenced by control experiments targeting nearby thalamic nuclei. This advancement in TUS technology not only enhances our understanding of deep brain function but also opens new avenues for therapeutic applications, potentially allowing for non-invasive interventions in neurological and psychiatric disorders. Future research will focus on optimizing stimulation parameters and elucidating the underlying mechanisms of TUS to further enhance its efficacy and safety in clinical settings.