低强度聚焦超声神经调控作用研究进展

李 茜，陈雪莹，王 冬

(重庆医科大学附属第一医院超声科，重庆 400016)

神经调控是采用侵入性或非侵入性技术，以物理性(光、磁、电、声)或化学性手段调节神经元及其所在神经网络活性，最终引起特定神经功能改变的生物医学工程技术，为脑神经科学基础研究和临床治疗中枢神经系统疾病提供了全新且有价值的工具。深部脑刺激(deep brain stimulation, DBS)是目前广泛应用的侵入性神经调控技术，通过立体定向植入电极对脑内特定靶点进行慢性电刺激，是治疗原发性震颤和帕金森病的长期而有效的方法；但DBS需要定期更换电池，且有出血、感染等风险[1]。经颅磁刺激(transcranial magnetic stimulation, TMS)和经颅直流电刺激(transcranial direct current stimulation, tDCS)利用不同电磁原理将电流传递到特定皮质区域，诱导神经元兴奋[2]，均存在空间分辨率相对较低(厘米量级)和难以刺激大脑皮层下组织等缺点。经颅聚焦超声具有非侵入性、高渗透性、高空间分辨率(约数毫米)等优势，在神经调控领域受到广泛关注。

超声波能以连续波或脉冲波形式进入人体各组织，通过压缩和膨胀媒质传递能量；按照强度可分为高强度超声和低强度超声(low-intensity ultrasound, LIUS)[3]。早期相关研究主要采用高强度超声，高强度聚焦超声可通过热消融和空化效应方式使特定脑区瞬时达到高温(>60℃)，导致组织凝固性坏死、蛋白变性[4]，以永久性损伤方式消除病灶并调节神经网络。低强度超声主要利用机械能，在不引起生物组织温度显著升高的前提下进行治疗[3]，目前低强度聚焦超声(low-intensity focused ultrasound, LIFU)已在促进骨折愈合、软组织再生等方面获得良好效果[5]。本文对LIFU的神经调控作用研究进展进行综述。

1 概述

2008年，TYLER等[6]通过LIUS直接诱发小鼠海马CA1椎体神经元动作电位和突触传递,证实LIUS可作为调节神经元活动的工具。TUFAIL等[7]进一步利用LIFU照射颅骨完整活体小鼠的海马区，发现LIFU能非侵入性刺激完整小鼠脑回路。随后LIFU对脑皮层及皮层下神经元活动的调节作用相继在大鼠[8]、兔[9]及非人灵长类动物[10]模型中得到证实。LEGON等[11]利用LIFU定向刺激初级躯体感觉皮层(S1)，发现受试者触觉感知能力提升，且正中神经刺激引起的体感诱发电位显著减弱，为LIUS用于人类局部皮层神经调节提供了依据。

2 LIFU神经调控作用的潜在机制

目前多数研究[12-13]认为LIFU利用机械效应机制和空化机制等非热机制调节神经元活性。

2.1 机械效应机制 超声波在组织传播过程中产生的声辐射力(acoustic radiation force, ARF)可引起细胞膜机械振动和形变，激活神经元内机械敏感离子通道，进而引起细胞放电。TYLER等[6]研究表明，LIFU可分别触发海马CA1椎体神经元电压门控钠通道和电压门控钙通道，产生电流瞬变触发突触胞外分泌和突触传递。此外，机械敏感离子通道如双孔域家族K2P离子通道、Piezo离子通道、瞬时感受器电位(transient receptor potential, TRP)、瞬时受体电位锚定蛋白1(transient receptor potential ankyrin 1, TRPA1)对机械力的敏感度均较高，可在LIFU刺激下实现机械-电信号转化[14]。一项针对突变体秀丽隐杆线虫模型的行为学研究[15]表明，去除机械敏感离子通道可抑制神经元对机械刺激的反应，而去除热敏离子通道后反应不受限，表明机械性刺激为LIFU引起神经元活动的主要机制。

2.2 空化效应机制 空化效应指组织内的气体在不同参数超声波作用下出现微泡膨胀、收缩甚至爆裂的现象，亦为超声波神经调控的重要机制，其可分为惯性空化及非惯性空化。KRASOVITSKI等[16]提出膜内空化概念，即细胞膜脂质双分子层在超声波产生的机械力作用下发生扩张和收缩，导致膜内空间收缩和膨胀。细胞膜和细胞骨架的周期性舒张和收缩影响离子运动。PLAKSIN等[17]在此基础上提出了神经元膜内空化激发假说，即膜内空化效应产生电容位移电流，导致电荷在数十毫秒中积累，最终触发动作电位。

3 LIFU在颅脑疾病中的研究进展

目前LIFU已成为研究动物和人类大脑内神经元活动、脑区功能及其连接的非侵入性方法，近年在治疗癫痫、帕金森病(Parkinson diseases, PD)、阿尔茨海默病(Alzheimer's disease, AD)及抑郁症等中枢神经系统疾病中展现出一定效果。

3.1 癫痫 癫痫是以神经元过度兴奋或神经元抑制不足而致反复发作的常见神经系统疾病。难治性癫痫病灶常位于重要脑区或呈多发、弥漫性分布于大脑半球，无法通过常规手术方式予以切除，使得神经调控成为重要治疗方法。临床前研究[18-19]结果显示，LIFU具有调节或中断癫痫动物模型异常神经电活动的能力。MIN等[18]发现，戊四氮癫痫大鼠接受LIFU刺激后，脑电图显示癫痫爆发的信号数量明显减少，证实LIFU可有效抑制戊四氮诱导的大鼠急性癫痫活动。CHEN等[20]进一步探索发现LIFU抑制急性癫痫发作可能与PI3K-Akt-mTOR信号通路相关。HAKIMOVA等[19]在红藻氨酸诱导的大鼠颞叶癫痫模型中发现LIFU能有效控制慢性期癫痫复发并改善与癫痫相关的社交障碍和抑郁行为。邹俊杰等[21]建立癫痫猴模型，发现予以LIFU刺激后癫痫发作次数和持续时间均显著降低，为临床转化提供了重要的实验证据。LIN等[22]采用与膜片钳技术兼容的微型超声刺激仪对15例癫痫患者的颞叶脑切片进行LIFU照射，发现超声波能可逆性抑制神经元癫痫样放电，抑制持续时间达75 s；进一步观察发现超声波刺激可诱导抑制性突触输入增加，进而调节突触输入以抑制癫痫样放电。上述研究初步支持LIFU具有调节异常神经网络和治疗癫痫作用。

3.2 PD PD是以运动迟缓、僵直和静止性震颤为特征的神经退行性疾病，皮质-基底神经节神经环路在PD发生中发挥重要作用[23]，LIFU调控此环路及环路上重要的脑深部神经核团是治疗PD的方法之一。WANG等[24]以LIUS刺激PD小鼠模型丘脑底核(subthalamic nucleus， STN)，发现初级运动皮层(M1区)的局部场电位信号(local field potentials， LEP)明显减弱， 表明LIFU可诱导PD小鼠运动皮层兴奋。ZHOU等[25]采用可穿戴式超声换能器以LIFU精准刺激PD小鼠运动皮层，结果显示小鼠在旷场试验中的探索能力及爬杆试验中的运动迟缓和平衡障碍均得到显著改善，LIFU可提高PD小鼠运动能力。XU等[26]发现PD小鼠接受LIFU照射后黑质纹状体内多巴胺水平与对照组相比明显增加，且小鼠运动活性增加。周慧[27]报道，以LIFU刺激慢性PD小鼠STN能抑制小胶质细胞慢性炎症反应和星形胶质细胞活性，表明LIFU可通过抑制PD小鼠脑内慢性神经炎症反应而发挥神经保护作用。

3.3 情绪障碍及抑郁 腹内侧前额叶皮层(ventromedial prefrontal cortex， vmPFC)在情绪和情绪调节中发挥重要作用[28]，以LIFU刺激相关脑区有望成为调节情绪及相关疾病的手段之一。HAMEROFF等[29]采用8 MHz临床超声设备照射慢性疼痛患者额叶大脑皮层15 s，之后患者情绪出现积极改变。SANGUINETTI等[30]发现以LIFU刺激右额下回20～30 min可致负面情绪显著增加，且功能MRI(functional MRI， fMRI)结果显示背外侧前额叶皮层、内侧前额叶皮层和右额下回之间连接增加，而右额下回与边缘系统间连接减少，提示LIFU刺激可改变情绪处理和情绪相关神经网络电活动。LIFU对于接受抑郁大鼠模型[31]具有抗抑郁作用，蛋白印迹分析表明LIFU可提高海马组织脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor， BDNF)水平，并促进海马神经元增殖。ZHANG等[32]建立慢性接受不可预测压力抑郁小鼠模型，并以LIFUS刺激vmPFC，结果显示LIFUS可成功扭转小鼠抑郁状态，如行为减少和快感缺乏等。

3.4 AD LIN 等[33]以LIFU照射铝诱导AD大鼠脑损伤模型的海马区，发现海马区内BDNF等神经营养因子水平增加，且铝浓度、乙酰胆碱酶活性和β-淀粉样蛋白(amyloid β-protein， Aβ)水平明显降低，大鼠模型记忆能力和认知功能均有所改善。HUANG等[34]发现采用LIFU刺激大鼠海马CA1神经元能影响树突棘的密度和功能，并使谷氨酸受体N2A(glutamate receptorsN2A， GluN2A)表达上调。一项针对4例AD患者的初步临床研究[35]表明，LIFU可提高患者颞叶、扣带回和额叶皮质的局部葡萄糖代谢率并改善其记忆、认知功能，且未引起明显血脑屏障损伤。

4 LIFU的安全性

大量动物实验和人体试验均未发现LIFU致组织或神经元功能损伤，亦无受试动物或人体出现严重行为异常和精神改变的报道，但其安全性仍有待进一步探索。

总之，LIFU神经调控在神经科学领域具有良好应用前景，同时仍存在许多未知领域，如超声参数选择、研究对象种族差异、长期安全性以及具体作用机理等，有待深入研究。