Thesis defenses: Biophysical mechanisms and spatiotemporal selectivity of focused ultrasound neurostimulation: towards an implantable transdural stimulation approach

Author: Tom Aubier
Time: 14H00
Language: French
Place: Conference Room at LabTAU

Abstract: 
The deliberate alteration of neural activity by physical means, i.e. neurostimulation, is attracting growing interest for the treatment of neurological diseases and disorders. Although technical solutions already exist, they all rely on electromagnetic fields which, given their diffuse nature, impose a strong trade-off between the invasiveness of the techniques and the spatial selectivity of the brain regions that can be stimulated.

First documented in 1929, it is now accepted that ultrasound can reversibly affect the activity of neural structures. Due to its ability to be focused, this mechanical wave has been widely used in the medical field for imaging and non-invasive yet targeted therapeutic techniques. Consequently, focused ultrasound (FUS) emerges as a compelling route for the development of targeting and minimally invasive neurostimulation and/or neuromodulation techniques. Despite the strong interest in ultrasound neurostimulation in recent years, the wide range of parameters to be explored complicates its practical application. Furthermore, there is no consensus on the feasibility of controlled and repeatable initiation of neural responses using FUS. Schematically, two classes of effects emerge from the literature: online and offline, which are generally observed in vitro and in vivo, occur at clearly distinct spatial and temporal scales. The incomplete descriptions of the underlying mechanisms currently in place fail to establish a continuity between these two scales, which hinders the assessment of therapeutic risks and opportunities.

In this context, this PhD thesis stems from an approach that was initiated at LabTAU by researchers Dr W. Apoutou N'Djin and Dr Ivan M. Suarez-Castellanos in collaboration with Prof Alexandre Carpentier, neurosurgeon at the APHP. This approach consists in studying the effects of exposure to a single ultrasound pulse on elementary neural structures before progressing to models with increasing levels of integration and complexity. A transdural focused ultrasound (tdFUS) delivery approach based on a cranial implant is also proposed, which overcomes the constraints associated with non-invasive, transcranial (TUS) techniques associated to the passage of ultrasound through the skull. Unlike TUS, tdFUS enables the use of ultrasound frequencies above the megahertz range to improve focusing performance and promote the biophysical processes that are predominant at these frequencies.

The results of this thesis demonstrate the feasibility of initiating temporally causal and spatially focal responses on a two-dimensional in vitro model of human neural cells. A multi-frequency study validates the link between spatial selectivity and frequencies, and highlights a neurostimulation regime based on acoustic radiation force which initiates focal & propagative calcium responses without compromising cell viability. The study of the spatiotemporal characteristics of calcium responses coupled with alterations to the physical and biochemical environment of the stimulated cells led to the identification of the cellular machinery associated to the calcium and glutamatergic signalling processes mobilized by a 400 µs-long FUS neurostimulation single pulse at 8 MHz. On this basis, and in order to provide insights into the continuity between online and offline effects, the implications of exposure to 8 MHz FUS on the biochemical micro-environment were explored in vivo using microdialysis and HPLC-LIFD in collaboration with Dr Sandrine Parrot from the Centre de Recherche en Neurosciences de Lyon. Finally, the application of an innovative beam steering method to neurostimulation was initiated as part of a Mitacs PhD mobility fellowship that took place in the NeuroFUS laboratory in Calgary, Canada.

Titre : Mécanismes biophysiques et sélectivité spatio-temporelle de la neurostimulation par ultrasons focalisés : vers une approche implantable de stimulation transdurale
Résumé :
L'altération délibérée de l'activité neurale par un moyen physique - ou neurostimulation - suscite un intérêt croissant pour la prise en charge de maladies ou troubles d'origines neurologiques. Si des solutions techniques existent dès à présent, celles-ci reposent sur des champs électromagnétiques qui, de par leur nature diffuse, imposent un compromis entre invasivité des techniques et sélectivité spatiale des régions du cerveau pouvant être stimulées.

Documenté pour la première fois en 1929, il est maintenant admis que les ultrasons peuvent affecter de façon réversible l'activité de structures neurales. De par leurs capacités de focalisation, ces derniers ont été largement appliqués dans le domaine médical pour de l'imagerie ou des techniques thérapeutiques non-invasives et ciblées. Les ultrasons focalisés (FUS) apparaissent donc comme une piste intéressante pour allier ciblage spécifique et faible invasivité en neurostimulation et/ou neuromodulation. Malgré un fort intérêt observé ces dernières années à l'égard de la neurostimulation ultrasonore, l'étendue de l'espace des paramètres à explorer complique sa mise en pratique. Il n'existe en effet pas de consensus sur la faisabilité de l'initiation contrôlée et répétable de réponses neurales par FUS. De façon schématique, deux classes d'effets dits online et offline, observés in vitro et in vivo, se dégagent de la littérature. Ceux-ci interviennent à des échelles spatiales et temporelles clairement distinctes et les descriptions incomplètes des mécanismes sous-jacents ne permettent pas actuellement d'établir un lien entre ces deux échelles, ce qui complique l'évaluation des risques et des opportunités thérapeutiques.

Initiée au LabTAU par les chercheurs Dr W. Apoutou N'Djin et Dr Ivan M. Suarez-Castellanos, en collaboration avec Pr Alexandre Carpentier, neurochirurgien à l'APHP, cette thèse s'inscrit dans une approche consistant à étudier l’effet de l'exposition de structures neurales élémentaires à un pulse ultrasonore unique, avant de s'atteler à des modèles neuronaux et protocoles de stimulation de niveaux croissants d'intégration et de complexité. Une approche de délivrance transdurale d'ultrasons focalisés (tdFUS), reposant sur un implant crânien est également proposée, afin de s'affranchir des contraintes associées aux techniques non-invasives, dites transcrâniennes (TUS), liées au passage des ultrasons au travers du crâne. En contraste avec la TUS, la tdFUS permet d'envisager l'usage de fréquences ultrasonores au-delà du mégahertz afin d'accroître les performances de focalisation et de favoriser les processus biophysiques prépondérants à ces fréquences.

Ainsi, un premier pan de cette thèse s'attache à démontrer la faisabilité de l'initiation de réponses temporellement causales et spatialement focales sur un modèle 2D in vitro de cellules neurales humaines. Une étude multi-fréquentielle valide ainsi le lien entre sélectivité spatiale et fréquences et met en lumière un régime de neurostimulation reposant sur la force de radiation acoustique et initiant des réponses calciques focales & propagatives, sans compromettre la viabilité cellulaire. L'étude des caractéristiques spatiotemporelles des réponses, couplée à la perturbation de l'environnement physique et biochimique des cellules stimulées, a permis d'identifier la machinerie cellulaire, ainsi que les processus de signalisation calciques et glutamatergiques mobilisés par des stimulations FUS de 400 µs à 8 MHz. Sur cette base, et afin d'apporter des éléments sur le lien entre effets online et offline, les implications sur le micro-environnement biochimique d'expositions à des FUS à 8 MHz ont été explorées in vivo par microdialyse et HPLC-LIFD en collaboration avec Dr Sandrine Parrot du Centre de Recherche en Neurosciences de Lyon. Enfin, l'application au contexte de la neurostimulation, d'une méthode novatrice de déflexion de faisceau, a été initiée dans le cadre d'une mobilité de thèse dans le laboratoire NeuroFUS situé à Calgary, Canada.