The objective of this study was to develop anatomically correct whole body human models of an adult male (34 years old), an adult female (26 years old) and two children (an 11-year-old girl and a six-year-old boy) for the optimized evaluation of electromagnetic exposure. These four models are referred to as the Virtual Family. They are based on high resolution magnetic resonance (MR) images of healthy volunteers. More than 80 different tissue types were distinguished during the segmentation. To improve the accuracy and the effectiveness of the segmentation, a novel semi-automated tool was used to analyze and segment the data. All tissues and organs were reconstructed as three-dimensional (3D) unstructured triangulated surface objects, yielding high precision images of individual features of the body. This greatly enhances the meshing flexibility and the accuracy with respect to thin tissue layers and small organs in comparison with the traditional voxel-based representation of anatomical models. Conformal computational techniques were also applied. The techniques and tools developed in this study can be used to more effectively develop future models and further improve the accuracy of the models for various applications. For research purposes, the four models are provided for free to the scientific community.

We report a noninvasive strategy for electrically stimulating neurons at depth. By delivering to the brain multiple electric fields at frequencies too high to recruit neural firing, but which differ by a frequency within the dynamic range of neural firing, we can electrically stimulate neurons throughout a region where interference between the multiple fields results in a prominent electric field envelope modulated at the difference frequency. We validated this temporal interference (TI) concept via modeling and physics experiments, and verified that neurons in the living mouse brain could follow the electric field envelope. We demonstrate the utility of TI stimulation by stimulating neurons in the hippocampus of living mice without recruiting neurons of the overlying cortex. Finally, we show that by altering the currents delivered to a set of immobile electrodes, we can steerably evoke different motor patterns in living mice.

To define thresholds of safe local temperature increases for MR equipment that exposes patients to radiofrequency fields of high intensities for long duration. These MR systems induce heterogeneous energy absorption patterns inside the body and can create localised hotspots with a risk of overheating. The MRI + EUREKA research consortium organised a “Thermal Workshop on RF Hotspots”. The available literature on thresholds for thermal damage and the validity of the thermal dose (TD) model were discussed. The following global TD threshold guidelines for safe use of MR are proposed: The following definitions are applied: • Standard MRI can cause local heating by radiofrequency absorption. • Monitoring thermal dose (in units of CEM43°C) can control risk during MRI. • 9 CEM43°C seems an acceptable thermal dose threshold for most patients. • For skin, muscle, fat and bone,16 CEM43°C is likely acceptable.

Epidural electrical stimulation (EES) targeting the dorsal roots of lumbosacral segments restores walking in people with spinal cord injury (SCI). However, EES is delivered with multielectrode paddle leads that were originally designed to target the dorsal column of the spinal cord. Here, we hypothesized that an arrangement of electrodes targeting the ensemble of dorsal roots involved in leg and trunk movements would result in superior efficacy, restoring more diverse motor activities after the most severe SCI. To test this hypothesis, we established a computational framework that informed the optimal arrangement of electrodes on a new paddle lead and guided its neurosurgical positioning. We also developed software supporting the rapid configuration of activity-specific stimulation programs that reproduced the natural activation of motor neurons underlying each activity. We tested these neurotechnologies in three individuals with complete sensorimotor paralysis as part of an ongoing clinical trial ( www.clinicaltrials.gov identifier NCT02936453). Within a single day, activity-specific stimulation programs enabled these three individuals to stand, walk, cycle, swim and control trunk movements. Neurorehabilitation mediated sufficient improvement to restore these activities in community settings, opening a realistic path to support everyday mobility with EES in people with SCI.

Computational modeling and simulations are increasingly being used to complement experimental testing for analysis of safety and efficacy of medical devices. Multiple voxel- and surface-based whole- and partial-body models have been proposed in the literature, typically with spatial resolution in the range of 1-2 mm and with 10-50 different tissue types resolved. We have developed a multimodal imaging-based detailed anatomical model of the human head and neck, named "MIDA". The model was obtained by integrating three different magnetic resonance imaging (MRI) modalities, the parameters of which were tailored to enhance the signals of specific tissues: i) structural T1- and T2-weighted MRIs; a specific heavily T2-weighted MRI slab with high nerve contrast optimized to enhance the structures of the ear and eye; ii) magnetic resonance angiography (MRA) data to image the vasculature, and iii) diffusion tensor imaging (DTI) to obtain information on anisotropy and fiber orientation. The unique multimodal high-resolution approach allowed resolving 153 structures, including several distinct muscles, bones and skull layers, arteries and veins, nerves, as well as salivary glands. The model offers also a detailed characterization of eyes, ears, and deep brain structures. A special automatic atlas-based segmentation procedure was adopted to include a detailed map of the nuclei of the thalamus and midbrain into the head model. The suitability of the model to simulations involving different numerical methods, discretization approaches, as well as DTI-based tensorial electrical conductivity, was examined in a case-study, in which the electric field was generated by transcranial alternating current stimulation. The voxel- and the surface-based versions of the models are freely available to the scientific community.

ABSTRACT Deep brain stimulation (DBS) via implanted electrodes is used worldwide to treat patients with severe neurological and psychiatric disorders however its invasiveness precludes widespread clinical use and deployment in research. Temporal interference (TI) is a strategy for non-invasive steerable DBS using multiple kHz-range electric fields with a difference frequency within the range of neural activity. Here we report the validation of the non-invasive DBS concept in humans. We used electric field modelling and measurements in a human cadaver to verify that the locus of the transcranial TI stimulation can be steerably focused in the hippocampus with minimal exposure to the overlying cortex. We then used functional magnetic resonance imaging (fMRI) and behaviour experiments to show that TI stimulation can focally modulate hippocampal activity and enhance the accuracy of episodic memories in healthy humans. Our results demonstrate targeted, non-invasive electrical stimulation of deep structures in the human brain.

Abstract Temporal interference stimulation (TIS) is a new form of transcranial electrical stimulation (tES) that has been proposed as a method for targeted, non-invasive stimulation of deep brain structures. While TIS holds promise for a variety of clinical and non-clinical applications, little data is yet available regarding its effects in humans. To inform the design and approval of experiments involving TIS, researchers require quantitative guidance regarding exposure limits and other safety concerns. To this end, we sought to delineate a safe range of exposure parameters (voltages and currents applied via external scalp electrodes) for TIS in humans through comparisons with well-established but related brain stimulation modalities. Specifically, we surveyed the literature for adverse events (AEs) associated with transcranial alternating/direct current stimulation (tACS/tDCS), deep brain stimulation (DBS), and TIS to establish known boundaries for safe operating conditions. Drawing on the biophysical mechanisms associated with the identified AEs, we determined appropriate exposure metrics for each stimulation modality. Using these metrics, we conducted an in silico comparison of various exposure scenarios for tACS, DBS, and TIS using multiphysics simulations in an anatomically detailed head model with realistic current strengths. By matching stimulation scenarios in terms of biophysical impact, we inferred the frequency-dependent TIS stimulation parameters that resulted in exposure magnitudes known to be safe for tACS and DBS. Based on the results of our simulations and existing knowledge regarding tES and DBS safety, we propose frequency-dependent thresholds below which TIS voltages and currents are unlikely to pose a risk to humans. Safety-related data from ongoing and future human studies are required to verify and refine the thresholds proposed here.

Abstract Reinforcement feedback can improve motor learning, but the underlying brain mechanisms remain underexplored. Especially, the causal contribution of specific patterns of oscillatory activity within the human striatum is unknown. To address this question, we exploited an innovative, non-invasive deep brain stimulation technique called transcranial Temporal Interference Stimulation (tTIS) during reinforcement motor learning with concurrent neuroimaging, in a randomised, sham-controlled, double-blind study. Striatal tTIS applied at 80Hz, but not at 20Hz, abolished the benefits of reinforcement on motor learning. This effect was related to a selective modulation of neural activity within the striatum. Moreover, 80Hz, but not 20Hz tTIS increased the neuromodulatory influence of the striatum on frontal areas involved in reinforcement motor learning. These results show for the first time that tTIS can non-invasively and selectively modulate a striatal mechanism involved in reinforcement learning, opening new horizons for the study of causal relationships between deep brain structures and human behaviour.

Abstract Reinforcement feedback can improve motor learning, but the underlying brain mechanisms remain underexplored. In particular, the causal contribution of specific patterns of oscillatory activity within the human striatum is unknown. To address this question, we exploited a recently developed non-invasive deep brain stimulation technique called transcranial temporal interference stimulation (tTIS) during reinforcement motor learning with concurrent neuroimaging, in a randomized, sham-controlled, double-blind study. Striatal tTIS applied at 80 Hz, but not at 20 Hz, abolished the benefits of reinforcement on motor learning. This effect was related to a selective modulation of neural activity within the striatum. Moreover, 80 Hz, but not 20 Hz, tTIS increased the neuromodulatory influence of the striatum on frontal areas involved in reinforcement motor learning. These results show that tTIS can non-invasively and selectively modulate a striatal mechanism involved in reinforcement learning, expanding our tools for the study of causal relationships between deep brain structures and human behaviour.