Simulating The Effects of Low Intensity Focused Ultrasound in Parkinson's Disease

丘脑底核 脑深部刺激 神经调节 神经科学 苍白球 刺激(心理学) 帕金森病 传出的 基底神经节 心理学 医学 刺激 疾病 中枢神经系统 传入的 病理 心理治疗师
作者
Ítalo Karmann Aventurato,Marcelo Ramos Romano,Leonardo Abdala Elias
标识
DOI:10.1109/ner52421.2023.10123760
摘要

Invasiveness limits current neuromodulation approaches for treating Parkinson's disease (PD). Low-intensity focused ultrasound (LIFUS) is a viable non-invasive alternative to modulate the cortico-subcortical networks involved in PD. In this study, an intramembrane cavitation model was used to simulate the effects of ultrasonic stimulation to the subthalamic nucleus in a simplified validated model of the cortico-subcortical network. Simulation results from single neuron and network models show the ultrasonic stimulus was effective in producing neuronal excitation in the subthalamic nucleus as well as modulation of activities in other nuclei of the network model (e.g., globus pallidus and thalamus). Additionally, depending on LIFUS parameters (i.e., amplitude and duty cycle) there was a reduction in beta-band parkinsonian oscillations to values close to the healthy condition. Exploratory tests of the stimulus parametric space revealed different operating ranges that could be used to optimize the therapeutic response to LIFUS. In conclusion, the membrane cavitation framework provides reasons to believe that LIFUS would be a potential therapeutic intervention to modulate neuronal circuits involved in PD without surgical procedures. Also, the model employed in the present study would be helpful in exploring other neuromodulation effects of ultrasound waves in neuronal circuits in the brain. However, it is important to validate the results from the computer simulations using both experiments with animal models and clinical trials with humans.
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