精确经颅超声神经调节对全脑血流动力学的响应

《Brain Stimulation》：Brain-wide hemodynamic responses to precise transcranial ultrasound neuromodulation

本研究开发了高精度球面聚焦超声阵列与实时三维功能光学声成像的集成系统，在小鼠麻醉模型中实现了超声刺激与脑血流动力学的同步监测。通过调整超声压力（1.2 MPa）和脉宽（100 ms/50 ms），观察到皮质刺激诱发的脑血氧变化（HbO）及静脉氧含量变化（HbR）呈现三维空间分布特征，并证实超声效应通过动脉-静脉循环网络扩散。该技术为非侵入性脑超声调控研究提供了新方法。

　　在现代医学与神经科学的研究中，非侵入性脑刺激技术正逐渐成为探索大脑功能和治疗神经疾病的重要手段。其中，颅骨透射超声刺激（Transcranial Ultrasound Stimulation, TUS）因其能够穿透颅骨并在脑内精确聚焦而备受关注。然而，尽管TUS在临床和基础研究中展现出巨大潜力，其在实时监测脑部反应方面仍面临诸多挑战。传统的方法，如侵入式电极记录或功能性磁共振成像（fMRI），虽然在某些方面有效，但它们要么难以实现高时空分辨率，要么需要复杂的设备或手术干预，限制了其在动态研究中的应用。因此，开发一种能够同时实现高精度超声刺激和实时脑部血流反应监测的系统，成为推动TUS在神经科学和医学领域应用的关键。

为了克服这些限制，研究团队提出了一种整合的解决方案，即通过结合功能性光声成像（functional optoacoustic tomography, fOT）和超声刺激技术，实现对小鼠大脑反应的高时空分辨率监测。这种方法利用了一种球面聚焦的超声阵列，能够在非侵入性条件下对小鼠大脑进行精确的超声刺激，同时通过光声成像技术获取整个大脑的血氧饱和度变化信息。这一系统的核心在于其对光声信号的多光谱解混能力，使研究人员能够实时生成三维的血红蛋白分布图，包括氧合血红蛋白（HbO）和脱氧血红蛋白（HbR），从而全面评估TUS对脑血流的影响。

在实验中，研究团队使用了多臂光纤束，将脉冲激光光束引导至小鼠头部的多个位置，以实现均匀的光分布并确保良好的信号采集。激光的波长被设定为5种不同的值（730、755、780、800和850纳米），并在100 Hz的重复频率下发射。这种多光谱设计使得研究人员能够通过光声信号的光谱特性区分不同类型的血红蛋白变化，从而获得更精确的血流动力学数据。同时，超声刺激参数被设定为固定的5次刺激、15秒的刺激持续时间以及3 MHz的频率，而超声压力和脉冲持续时间则被调整以研究其对血流变化的影响。

在对小鼠进行实验时，研究人员使用了自定义的立体定位框架以确保头部的稳定，并通过连续监测小鼠的血氧饱和度、心率和体温来维持其生理状态。在实验过程中，超声阵列被放置在一个装有去气去离子水的水箱中，以确保超声波和光信号能够无阻碍地传递至小鼠大脑。同时，通过在水箱底部使用透明塑料膜，研究人员能够在不影响超声波和光信号传播的前提下，保持对小鼠头部的接触和稳定性。

实验结果显示，hTUS（holographic TUS）在小鼠的初级体感皮层区域进行刺激时，能够引发显著的脑区血流变化。这些变化不仅局限于直接刺激的区域，还扩展到了皮层下的动脉和静脉网络，以及大脑表面的静脉系统，特别是上矢状窦（SSS）。通过光声成像技术，研究人员能够在三维空间中实时观察这些变化，并发现HbO和HbT的变化主要集中在刺激点，而HbR的变化则更广泛地分布在与刺激区域相连的血管系统中。此外，实验还表明，不同的超声刺激参数，如压力和脉冲持续时间，对血流变化的影响具有显著差异。例如，当压力降低时，HbO和HbR的变化幅度减小，且变化的速度变慢，这可能反映了超声波对血管的刺激强度不同。

值得注意的是，尽管超声波刺激可能引发一些热效应，但研究团队认为这些效应对血流变化的贡献较小。通过对比不同刺激参数下的结果，他们发现，在刺激区域的HbO变化最为显著，而在对侧区域则没有类似的反应。这表明，hTUS引发的血流变化主要局限于刺激的半球，并且其影响可以精确地追踪到与该区域相连的血管网络中。此外，研究还发现，当刺激时间被缩短时，热效应的积累减少，从而降低了对血流变化的干扰，进一步支持了hTUS在血流动力学研究中的有效性。

通过这一整合系统，研究人员不仅能够观察到hTUS对脑血流的直接作用，还能够通过分析不同区域的反应模式，进一步理解其对神经网络的影响。例如，HbR的变化可能反映了血液流动的调节机制，而HbO的变化则可能与局部神经元活动有关。这些发现为未来研究TUS在治疗神经系统疾病中的潜在应用提供了重要的数据支持。同时，该方法还展示了其在非侵入性研究中的优势，尤其是在动物模型中，避免了传统方法所需的手术操作，从而提高了实验的可行性与安全性。

此外，研究团队还讨论了该方法与其他技术的对比。相比于传统的单元素超声刺激方法，他们的系统能够实现更精确的聚焦和更广泛的刺激区域覆盖。同时，与功能性超声成像（fUSI）相比，该方法提供了更高的时空分辨率，并能够实时获取三维的血流变化信息。这些优势使得该系统成为研究TUS对大脑影响的理想工具，尤其是在探索其在神经调控和治疗中的潜力方面。

在讨论部分，研究团队还特别关注了可能的听觉干扰问题。他们指出，虽然一些研究曾担心TUS可能引发听觉反应，但通过使用较长的超声脉冲（50-100毫秒）和较低的脉冲重复频率（4-8赫兹），他们的实验设计避开了小鼠的听觉敏感范围，从而减少了听觉干扰的可能性。此外，他们的实验结果显示，即使在麻醉状态下，hTUS并未引起显著的听觉反应，这进一步支持了其在非侵入性研究中的适用性。

研究团队还强调了该方法在临床转化方面的潜力。通过高精度的超声刺激和实时的光声成像，他们的系统能够为TUS在神经疾病治疗中的应用提供可靠的实验依据。例如，该方法可用于评估TUS对癫痫、抑郁症或神经退行性疾病的影响，从而为开发新的非侵入性治疗方法提供支持。此外，该方法的灵活性也为其在不同脑区和不同动物模型中的应用提供了可能性，未来的研究可以进一步探索hTUS对其他脑结构的影响，并结合更复杂的实验设计来验证其在临床中的应用前景。

总之，这项研究不仅展示了hTUS在非侵入性脑刺激中的有效性，还通过整合光声成像技术，为实时监测脑血流变化提供了新的方法。该系统能够在高时空分辨率下捕捉到hTUS引发的血流变化，并揭示其对神经网络的广泛影响。这些发现为TUS在神经科学和医学领域的进一步研究和应用奠定了基础，同时也为开发更精确、安全的非侵入性脑刺激技术提供了重要的参考。未来的研究可以基于这一平台，进一步探索TUS在治疗和诊断中的应用，并结合其他成像技术，如功能性磁共振成像（fMRI）或光学成像，以获得更全面的脑功能评估。