ヒト脊髄の機能的超音波イメージング

2024-05-27 Mon
機能的超音波イメージングの人間の脊髄における応用背景紹介脊髄は神経系の中で重要な感知・運動の統合センターであり、全身の各部分の運動学と姿勢を監視しています。外傷や病気による脊髄情報の遮断は、一連の悪影響（反射活動の増加、慢性痛、運動や感覚機能の部分的または完全な喪失、排便/排尿機能障害など）を引き起こす可能性があります。脊髄の感知、運動および自律機能における重要性にもかかわらず、その機能構造に関する研究は依然として少ないです。現在、機能的な脳イメージング技術（fMRIおよび立体電極皮質電図など）は脳科学研究に広く使用されていますが、脊髄研究には限られています。1990年代末以降、機能的磁気共鳴イメージング（fMRI）が脊髄研究の分野に導入されて以来、少数の研究が脊髄の機能組織を明らかにしてきたが、イメージング技術の挑戦（例えば、脊髄の横断面積の小ささ、磁場の不均一性や運動アーティファクト）により進展が制限されてきました。
機能的超音波イメージング（Functional Ultrasound Imaging, FUSI）は新興のイメージング技術であり、広いカバー範囲、高い時空間分解能および高感度の利点を持ち、最初はマウス脳の血容量イメージングで検証され、徐々に自由活動するげっ歯類、覚醒および活動する非人霊長類、成人や小児患者の脳イメージングへと拡張されました。最近の研究では、機能的超音波イメージングが電気刺激による脊髄の血流力学的反応を検出できることが示されているが、その効果はまだ人体内で検証されていません。
論文の資料この論文の題名は「機能的超音波イメージングの人間の脊髄における応用」（Functional Ultrasound Imaging of the Human Spinal Cord）であり、著者はK.A. Agyemanら、米国カリフォルニア大学リバーサイド校および南カリフォルニア大学医療センターの研究機関に所属しています。論文は2024年5月15日の《Neuron》誌に掲載され、DOI: 10.1016/j.neuron.2024.02.012が付与されています。
研究のプロセスおよび方法研究のプロセス研究は慢性背痛のため標準的な脊髄刺激装置の植込み手術を受ける6名の患者を対象に、機能的超音波イメージングデータの採取が行われました。研究のプロセスは以下のステップを含みます：
患者選択と手術準備：慢性背痛の患者を選択し、T10椎板の部分切除術を実施して脊髄刺激電極を植える。
機能的超音波イメージング探頭の設置：15 MHz線形アレイ探頭を手術部位に挿入して横断視野の機能的超音波イメージング画像を取得する。
電気刺激実験：刺激と非刺激状態で脊髄血流力学的データを収集し、電気刺激パラメータは周波数40 Hz、パルス幅250 ms、電流強度3.0 mAおよび4.5 mAとする。
データ収集と処理：連続して超音波画像を撮影し、動きのアーティファクト補正や低周波フィルタリングなどの前処理を行います。
データ分析および方法血流力学的変化の分析：統計パラメータマッピング（SPM）およびイベント関連平均（ERA）法を用い、刺激による局所脊髄血容量の変化を計算し、血流力学的変化マップを生成。
単一試行のデコード：機械学習アルゴリズム（主成分分析および線形判別分析など）を使用して、単一試行のデータを次元削減および分類し、刺激プロトコルの有効性を評価。
空間分解能および血流量分析：画像分解能を200ミクロンおよび400ミクロンに低減し、異なる分解能でのデコード精度を評価；血流量信号をサイズ順に並べ替え、異なる血管のサイズがデコード精度に与える影響を分析。
研究の結果血流力学的反応研究は、電気刺激による脊髄の血流力学的変化が明確な時空間特性を示すことを発見しました。主に局所的な血流量の増加または減少として現れます。統計的な分析では、刺激期間中の局所脊髄血容量が有意に変化し、その変化が刺激終了後に徐々に基本レベルに戻ることが示されました。
デコード分析機械学習アルゴリズムを通じて、研究は単一試行で脊髄の状態を高精度でデコードすることに成功し、デコード精度は90％を超えました。具体的には、異なる領域の血流量の変化が異なる反応ピークおよび回復時間を示し、脊髄内の複雑な血流力学的反応を明らかにしました。
空間分解能分析研究は、高い空間分解能（100ミクロン）が低い分解能（200ミクロンと400ミクロン）よりも脊髄血流量の変化を効果的に検出およびデコードできることを示しました。最も情報量の多い血流量信号は主に中小血管からもたらされました。
結論および意義研究の結論この研究は初めて人間において機能的超音波イメージング技術を使用し、脊髄の電気刺激に対する血流力学的反応を成功裏に定量化しました。高精度の単一試行デコードを通じて、機能的超音波イメージング技術がリアルタイムな閉ループ神経制御システムに応用できる可能性を証明しました。
科学および応用価値この研究は、脊髄研究における機能的超音波イメージング技術の応用に重要な実験的証拠を提供します。電気刺激引起の脊髄血流力学的変化を明らかにすることで、脊髄機能およびその臨床的神経制御の効果を理解するための新しい視点を提供します。さらに、機能的超音波イメージング技術は、脊髄刺激パラメータの最適化に使用され、神経制御治療の効果を向上させる可能性があり、広範な応用前景を持っています。
研究の特徴初めて人間の脊髄に機能的超音波イメージング技術を応用し、脊髄の血流力学的反応を成功裏に定量化しました。
高精度な単一試行デコードを達成し、リアルタイムな閉ループ神経制御システムの発展に技術的サポートを提供しました。
異なる血管サイズが血流量信号のデコードに与える影響を明らかにし、脊髄刺激パラメータの最適化に新しい考え方を提供しました。
展望および挑戦機能的超音波イメージング技術は本研究で大きな可能性を示しましたが、臨床応用においてまだいくつかの挑戦（例えば、イメージングプロセスの侵襲性および画像品質の問題）があります。将来的には、非侵襲的な機能的超音波イメージング技術（例えば静脈注入微気泡造影剤およびフェイズドアレイプローブによる低周波イメージング）により、その応用範囲がさらに拡大されるでしょう。さらに、臨床手術における制限されたスペースに適応するために、より薄い超音波探頭の開発は、イメージング品質および操作の利便性を向上させます。
機能的超音波イメージング技術の人間の脊髄における応用は、脊髄機能およびその臨床的制御研究に新しいツールを提供します。技術およびデータ処理方法が絶えず最適化されるにつれ、この技術は神経科学研究および臨床の神経制御治療において重要な役割を果たすことが期待されています。