Auswirkungen von transkranial fokussiertem Ultraschall auf den menschlichen primären motorischen Kortex unter Verwendung von 7T fMRI

Hintergrund und Bedeutung:

Die MRT liefert hochdetaillierte räumliche Karten der kortikalen und subkortikalen Aktivierung. Daher kann die Bereitstellung von tFUS im MR-Scanner wichtige Informationen über die neurale Aktivierung als Folge von tFUS liefern. Es ist jedoch unklar, ob tFUS eine nachweisbare vom Blutsauerstoffspiegel abhängige (BOLD) Reaktion hervorrufen kann. Vorläufige Beweise beim Menschen (Mueller et al. 2014b; Legon et al. 2015) haben überwiegend negative Ergebnisse und sehr unterschiedliche Reaktionen gezeigt, möglicherweise aufgrund der verwendeten Wandler- oder Schallintensitätspegel, der verwendeten Impulsstrategie und/oder des schlechten Signal-Rausch-Verhältnisses. Wir wissen aus Tierversuchen, dass es möglich ist, eine Änderung der BOLD-Reaktion von tFUS zu erkennen, wenn bereits ein bekanntes Signal vorhanden ist. Yooet al. (2011) zeigten, dass fokussierter Ultraschall das durch visuelle Reize im visuellen Cortex von Kaninchen erzeugte BOLD-Signal dämpft. Daher ist anzunehmen, dass dieser Effekt auf den Menschen übertragbar ist, da die zugrunde liegende Gehirnphysiologie, die das BOLD-Signal erzeugt, dieselbe ist.

Hier planen wir, die Wirkung von tFUS auf das BOLD-Signal im menschlichen Primärmotor (M1) zu untersuchen. M1 wurde aus zwei grundlegenden Gründen ausgewählt. 1) Die Verwendung der Muskelkontraktion zur Erzeugung eines BOLD-Signals in M1 ermöglicht die Untersuchung von tFUS im peripheren Elektromyogramm (EMG) und 2) räumlich spezifische BOLD-Antworten im Kortex können abhängig von der verwendeten Muskulatur erzeugt werden, was eine präzise räumliche Zuordnung ermöglicht der Wirkung. Der erste Punkt ist von großem Interesse, denn wenn eine nachweisbare Wirkung auf die periphere Muskulatur nachgewiesen wird, liefert er einen wichtigen ersten Beweis dafür, dass tFUS ähnlich wie elektrische und elektromagnetische Stimulation auf kortikale Motoneuronen und absteigende motorische Bahnen wirkt, was auf die von und beeinflussten Zellpopulationen und Mechanismen hinweist verantwortlich für die neuromodulatorische Wirkung von tFUS. Der zweite Punkt bestätigt mit hoher Präzision die räumlich selektive Wirkung von tFUS und wenn wir aus diesen Daten Energie-/Wirkungsfunktionen ermitteln können, kann dies auch zu einer Skalierung von tFUS-Energien führen, um spezifische Effekte wie Hemmung oder Erregung hervorzurufen.

Zusammen wird dieses Wissen tFUS für die kortikale Stimulation weiter fördern und tFUS für die subkortikale Stimulation beim Menschen voranbringen. Dieser letzte Fortschritt ist das große Potenzial von tFUS. Stellen Sie sich ein kleines Gerät vor, das anstelle einer Operation einfach am Kopf befestigt werden kann, um überall im Gehirn eine präzise Stimulation vorzunehmen. Dies ist das ultimative Ziel dieser Forschung, bevor dies jedoch in Betracht gezogen werden kann, sind die detaillierten Daten aus diesem Forschungsvorschlag erforderlich.