Thesis by VION Jérémy
Study of the Mechanisms Underlying Neurostimulation Induced by Low-Energy Pulsed Ultrasound: Towards Approaches for the Management of Cancer-Related Chronic Pain
Defended on 27 march 2019
Focused ultrasound (US) are considered as a promising tool to develop a new modality of therapeutic neurostimulation. An in vivo invertebrate nervous model (system of giant fibers of the common earthworm, Lumbricus terrestris) has been proposed to study the biophysical mechanisms underlying the phenomenon of US neurostimulation. After proving the feasibility, the nervous responses associated with different stimulation modalities (mechanical, electrical, US) were characterized and compared together. Following a causal approach of interpretation, the afferent nerves were deduced to be the locus of interaction between the nervous system and the US stimulus (pulsed, 1.1 MHz, 2% DT, 2.5 kW/cm²). The respective influences of each acoustic parameter on the neurostimulation success rate were evaluated. Results suggest afferent nerves are sensitive to the value of the ‘mean radiation force’ carried by the US stimulus, whatever combination of parameters leading to it. Complementarily, the role played by cavitation in the phenomenon of US neurostimulation was investigated, using both the monitoring of cavitation indexes and ultra-fast imaging. It was concluded that neither the occurrence of stable cavitation nor particularly high levels of inertial cavitation were necessary conditions for the occurrence of US-induced nervous responses. A new experimental campaign was launched, aiming to apply the methodology developed for the invertebrate nervous model to a nervous model of higher complexity. The feasibility of using Microelectrode Arrays (MEA) to record US-induced nervous responses from mouse cortical slices was demonstrated, and further trials are currently undertaken.
Etude des mécanismes de neurostimulations par Ultrasons Pulsés de Faible Energie et applications à la gestion des douleurs chroniques d’origine tumorale
Soutenue le 27 March 2019
Les ultrasons (US) focalisés sont considérés comme une base prometteuse pour le développement d’une nouvelle modalité de neurostimulation thérapeutique. Un modèle nerveux invertébré in vivo (système de fibres géantes du ver de terre commun, Lumbricus terrestris) a été proposé pour étudier les mécanismes biophysiques sous-jacents au phénomène de neurostimulation US. Après avoir prouvé la faisabilité, les réponses respectives du modèle nerveux à différentes modalité de stimulation (mécanique, électrique, US) ont été caractérisées et comparées. Par un raisonnement causal, il a été déduit que les nerfs afférents sont les structures interagissant avec le stimulus US (pulsé, 1.1 MHz, 2% DT, 2.5 kW/cm²). Les influences respectives des paramètres acoustiques sur le taux de succès de neurostimulation ont été évaluées. Les résultats suggèrent une sensibilité des nerfs afférents à la « force de radiation moyenne » transportée par le stimulus US, pouvant être obtenue par différentes combinaisons de paramètres. Le rôle joué par la cavitation dans le phénomène de neurostimulation US a été étudié, en s’appuyant sur le suivi d’indices de cavitation et l’imagerie ultra-rapide. Il a été conclu que la réponse du modèle nerveux à un stimulus US ne nécessite pas l’occurrence d’un évènement de cavitation stable, ni de niveaux particulièrement élevés de cavitation inertielle. Il a été entrepris de répliquer la méthodologie d’étude employée sur ce modèle invertébré à un modèle nerveux plus complexe. La faisabilité d’enregistrer via Microelectrode Arrays (MEA) les réponses nerveuses de tranches de cortex murin induites par US focalisés a été démontrée, et d’autres essais sont à venir.
Defended on 27 march 2019
Focused ultrasound (US) are considered as a promising tool to develop a new modality of therapeutic neurostimulation. An in vivo invertebrate nervous model (system of giant fibers of the common earthworm, Lumbricus terrestris) has been proposed to study the biophysical mechanisms underlying the phenomenon of US neurostimulation. After proving the feasibility, the nervous responses associated with different stimulation modalities (mechanical, electrical, US) were characterized and compared together. Following a causal approach of interpretation, the afferent nerves were deduced to be the locus of interaction between the nervous system and the US stimulus (pulsed, 1.1 MHz, 2% DT, 2.5 kW/cm²). The respective influences of each acoustic parameter on the neurostimulation success rate were evaluated. Results suggest afferent nerves are sensitive to the value of the ‘mean radiation force’ carried by the US stimulus, whatever combination of parameters leading to it. Complementarily, the role played by cavitation in the phenomenon of US neurostimulation was investigated, using both the monitoring of cavitation indexes and ultra-fast imaging. It was concluded that neither the occurrence of stable cavitation nor particularly high levels of inertial cavitation were necessary conditions for the occurrence of US-induced nervous responses. A new experimental campaign was launched, aiming to apply the methodology developed for the invertebrate nervous model to a nervous model of higher complexity. The feasibility of using Microelectrode Arrays (MEA) to record US-induced nervous responses from mouse cortical slices was demonstrated, and further trials are currently undertaken.
Etude des mécanismes de neurostimulations par Ultrasons Pulsés de Faible Energie et applications à la gestion des douleurs chroniques d’origine tumorale
Soutenue le 27 March 2019
Les ultrasons (US) focalisés sont considérés comme une base prometteuse pour le développement d’une nouvelle modalité de neurostimulation thérapeutique. Un modèle nerveux invertébré in vivo (système de fibres géantes du ver de terre commun, Lumbricus terrestris) a été proposé pour étudier les mécanismes biophysiques sous-jacents au phénomène de neurostimulation US. Après avoir prouvé la faisabilité, les réponses respectives du modèle nerveux à différentes modalité de stimulation (mécanique, électrique, US) ont été caractérisées et comparées. Par un raisonnement causal, il a été déduit que les nerfs afférents sont les structures interagissant avec le stimulus US (pulsé, 1.1 MHz, 2% DT, 2.5 kW/cm²). Les influences respectives des paramètres acoustiques sur le taux de succès de neurostimulation ont été évaluées. Les résultats suggèrent une sensibilité des nerfs afférents à la « force de radiation moyenne » transportée par le stimulus US, pouvant être obtenue par différentes combinaisons de paramètres. Le rôle joué par la cavitation dans le phénomène de neurostimulation US a été étudié, en s’appuyant sur le suivi d’indices de cavitation et l’imagerie ultra-rapide. Il a été conclu que la réponse du modèle nerveux à un stimulus US ne nécessite pas l’occurrence d’un évènement de cavitation stable, ni de niveaux particulièrement élevés de cavitation inertielle. Il a été entrepris de répliquer la méthodologie d’étude employée sur ce modèle invertébré à un modèle nerveux plus complexe. La faisabilité d’enregistrer via Microelectrode Arrays (MEA) les réponses nerveuses de tranches de cortex murin induites par US focalisés a été démontrée, et d’autres essais sont à venir.
