Hybrid TMS/MRI system for regionally tailored causal mapping of human cortical circuits and connectivity

混合 TMS/MRI 系统,用于按区域定制人类皮质回路和连接的因果图谱

基本信息

  • 批准号:
    10730783
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 45.21万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2023-09-15 至 2025-07-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Project Summary. We propose a new coil array that will enable next-generation causal brain mapping with unprecedented flexibility, resolution and precision. The proposed ARES2 hybrid array generates E-fields in the cortex for transcranial mag- netic stimulation (TMS) as well as B-fields for spatial and diffusion encoding applications including high-resolu- tion, high b-value diffusion MRI and fMRI. Multi-channel TMS allows different cortical targets to be probed either sequentially or simultaneously, providing a flexible tool for modulating brain activity that is imaged concurrently with MRI. By virtue of their close proximity to the head, the coil elements will provide a large boost in diffusion MRI encoding in the cortex beyond what is possible with current MRI gradient technology, enabling improved sensitivity to mapping neuronal and dendritic sizes and their distribution following targeted neuromodulation and providing sub-millimeter spatial resolution for BOLD-fMRI in the cortex following stimulation. In Aim1, we will test a 3-channel prototype of the proposed head array, ARES2 (Array for Reception, Encoding, Shimming, and Stimulation) by leveraging our recent developments in MR-compatible transcranial magnetic stimulation (TMS) coils. The coils will be driven by large currents to yield 1000 mT/m max. gradients and high slew rates. The parallel design comprising 48 encoding coils permit B0-shimming capability, while 28 radiofre- quency coils interlaced with the encoding coils provide parallel imaging. Custom drive amplifiers and switching electronics will allow alternation between “stimulation” and “imaging” modes. A comprehensive electronic control system will allow arbitrary waveforms to be played out on all channels in sync with the scanner’s pulse sequence. In Aim2, we will scale the system up to the full 48-ch array. We build a new TMS-compatible 28-ch RF receive array that is mechanically integrated with a TMS probe holder device. The TMS probe holder will allow radial adjustment of the TMS probe to allow it to be placed against the head surface. In Aim3, we will apply the system in vivo to perform next-generation causal brain mapping at submillimeter resolution. We will demonstrate ARES2’s ability to provide regionally specific measures of cell body (soma) and neurite size and density in the motor (M1) and somatosensory cortex (S1). These diffusion MRI experiments will make use of gSlider volumetric diffusion encoding to boost SNR and reach submillimeter resolution. For TMS- fMRI, we will use the 9ch TMS and 48ch MRI gradient system in an interleaved manner for successive stimulation and fMRI recording in M1 and S1.
项目摘要。 我们提出了一种新的线圈阵列,它将使下一代因果脑映射具有前所未有的灵活性, 分辨率和精度。所提出的ARES 2混合阵列在皮层产生电场,用于经颅磁刺激。 磁刺激(TMS)以及空间和扩散编码应用的B场,包括高分辨率 高b值弥散磁共振成像和功能磁共振成像。多通道TMS允许探测不同的皮质靶点, 顺序地或同时地,提供用于调节同时成像的大脑活动的灵活工具, MRI的。由于线圈元件非常接近头部,因此线圈元件将提供扩散的大的增强 皮质中的MRI编码超出了当前MRI梯度技术的可能性, 对映射神经元和树突大小及其在靶向神经调节后的分布的敏感性, 为刺激后皮质中的BOLD-fMRI提供亚毫米空间分辨率。 在Aim 1中,我们将测试拟议的头部阵列的3通道原型,ARES 2(接收,编码, 匀场和刺激),利用我们最近在MR兼容的经颅磁共振成像方面的发展, 刺激(TMS)线圈。线圈将由大电流驱动,最大产生1000 mT/m。梯度和高 压摆率包括48个编码线圈的并行设计允许B 0匀场能力,而28个射频线圈允许B 0匀场能力。 与编码线圈交错的频率线圈提供并行成像。定制驱动放大器和开关 电子设备将允许在“刺激”和“成像”模式之间交替。全面的电子控制 系统将允许任意波形与扫描仪的脉冲序列同步地在所有通道上播放。 在Aim 2中,我们将系统扩展到完整的48通道阵列。我们建立了一个新的TMS兼容的28通道射频接收机 与TMS探头保持器装置机械集成的阵列。TMS探头保持器将允许径向 调整TMS探头,使其贴靠头部表面放置。 在Aim 3中,我们将在体内应用该系统以在亚毫米级执行下一代因果脑映射 分辨率我们将证明ARES 2提供细胞体(索马)的区域特异性测量的能力, 运动皮层(M1)和体感皮层(S1)的神经突大小和密度。这些扩散MRI实验将 利用gSlider体积扩散编码提高信噪比,达到亚毫米分辨率。对于TMS- fMRI,我们将以交错方式使用9通道TMS和48通道MRI梯度系统进行连续刺激 以及M1和S1的fMRI记录。

项目成果

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