Low intensity focused ultrasound modulation of neuronal circuits activity

Abstract

O uso de ultrassons focados (FUS) corresponde a uma técnica de neuromodulação não invasiva que ganhou destaque nas últimas décadas devido à sua capacidade de modificar reversivelmente a atividade neuronal com alta precisão espacial. Como tal, FUS foi reconhecido como um forte candidato para a substituição de técnicas convencionais de neuromodulação, como a estimulação cerebral profunda (DBS) e a estimulação magnética transcraniana (TMS) no tratamento de doenças neurológicas humanas. Contudo, a falta de protocolos padronizados e de consenso na comunidade científica relativamente aos mecanismos responsáveis pelas respostas neuronais induzidas por FUS, representam barreiras críticas ao avanço desta técnica para ensaios clínicos. O objetivo principal da presente dissertação de mestrado foi a implementação de um sistema de ultrassons capaz de fornecer ultrassons focados de baixa intensidade (LIFUS) a circuitos neuronais, utilizando fatias de cérebro ex vivo. Um protocolo experimental foi desenvolvido com base na literatura de neuromodulação por ultrassons, de forma a permitir o estudo de uma ampla gama de parâmetros de sonicação, juntamente com os resultados subsequentes da modulação na atividade neuronal. Com o intuito de verificar as alterações induzidas pelos ultrassons na atividade elétrica dos neurónios alvo, um novo protótipo de registo eletrofisiológico, baseado em tétrodos, foi desenvolvido para registar a atividade neuronal extracelular em fatias de cérebro de forma econômica e reproduzível. Adicionalmente, um novo algoritmo de classificação de disparos neuronais semi-supervisionado foi desenvolvido para isolar neurônios, possibilitando a análise da resposta de neurónios individuais ao LIFUS. O novo protótipo e o algoritmo de classificação foram validados com estimulação optogenética, utilizada como controlo positivo para verificar a capacidade do novo protótipo de registar alterações na atividade evocada por estímulos externos. Em suma, este estudo forneceu uma base de engenharia, desde a especificação e instalação de um novo sistema de ultrassons até ao desenvolvimento de novas ferramentas para registar e analisar a atividade neuronal em resposta a estímulos externos – para futuras investigações sistemáticas e reproduzíveis dos efeitos neuromodulatórios do LIFUS. Este estudo será essencial para promover o LIFUS como uma via de tratamento de distúrbios neurológicos ou psiquiátricos humanos.

Focused ultrasound (FUS) is a non-invasive neuromodulation technique which has gained momentum over the past few decades due to its capability of reversibly modifying neuronal activity with high spatial accuracy. Therefore, FUS has been remarked as a strong candidate for replacing conventional neuromodulation techniques such as deep brain stimulation (DBS) and transcranial magnetic stimulation (TMS) in the treatment of human neurologic diseases. Nonetheless, the lack of standardized protocols and consensus in the scientific community regarding the mechanisms behind FUS-induced neuronal responses represent critical barriers to the advancement of this technique into clinical trials. The primary goal of this master’s dissertation was to implement an ultrasound system capable of delivering low intensity focused ultrasound (LIFUS) to neuronal cells in, ex vivo rodent brain slices. An experimental protocol was developed based on an extensive revision of ultrasound neuromodulation literature, that allows the study of a broad range of sonication parameters and the subsequent modulation outcomes on neuronal activity. In order to verify the ultrasound-induced modifications in the electrical activity of the targeted neurons, a new electrophysiology recording prototype, based on tetrodes, was developed to record extracellular neuronal activity in brain slices in a cost-effective and reproducible manner. Moreover, a new semi-supervised spike sorting algorithm was developed to isolate single neurons, allowing the analysis of the individual neuron’s response to LIFUS. Both the new prototype and spike sorting algorithm were validated with optogenetic stimulation, used as a positive control to verify the prototype’s ability to record alterations in evoked activity by external stimuli. In conclusion, this study provided an engineering foundation, from the specification and installation of a new US system to the development of new tools to record and analyze neuronal activity in response to external stimuli – for future systematic and reproducible investigations of LIFUS neuromodulatory effects. In particular, the developed framework will allow future promising research, including the unveiling of possible mechanisms of action for LIFUS on neuronal activity but also the optimization of sonication parameters in order to obtain safer and controllable neuromodulation. This research will be essential in order to advance LIFUS as a route for the treatment of human neurologic or psychiatric disorders.