个体化非侵入性深脑刺激：经颅超声刺激在基底神经节的应用

《Nature Communications》：Individualized non-invasive deep brain stimulation of the basal ganglia using transcranial ultrasound stimulation

本研究聚焦于经颅超声刺激（TUS）对基底神经节的影响，通过在运动障碍患者和健康参与者中开展实验，发现特定参数的TUS能够有效调节深脑结构的神经活动，并在行为学上表现出靶向特异性，为非侵入性深脑刺激治疗神经和精神疾病提供了有力证据

　　经颅超声刺激（TUS）作为一种新兴的非侵入性神经调控技术，因其能够精准地调节大脑深部结构而备受关注。然而，其对人类深脑结构的影响尚未充分明确。为填补这一空白，加拿大Krembil研究所和多伦多大学的研究人员开展了一项开创性研究，旨在探索TUS对基底神经节的神经调控效果。该研究通过在10名运动障碍患者（包括帕金森病和肌张力障碍患者）和15名健康参与者中应用TUS，记录了来自内苍白球（GPi）的局部场电位（LFP），并评估了其对行为的影响。研究结果表明，与假刺激相比，theta burst TUS（tbTUS）能够增加theta频段的功率，而10 Hz TUS则增强了beta频段的功率，且这些效应可持续长达40分钟。此外，在健康参与者中，对GPi的TUS显著延长了停止信号反应时间，表明抑制反应受损，而对丘脑枕核的刺激则无此效应。这些发现为TUS作为非侵入性深脑刺激策略的潜力提供了直接的神经生理学证据，为神经和精神疾病的治疗带来了新的希望。该成果发表于《Nature Communications》杂志。

为开展这项研究，研究人员主要采用了以下关键的技术方法：经颅超声刺激（TUS）技术，包括theta burst TUS（tbTUS）和10 Hz TUS两种刺激模式；利用植入式深脑刺激（DBS）电极记录局部场电位（LFP）；以及在健康参与者中通过停止信号任务评估行为学变化。

在实验设计方面，研究人员首先对10名运动障碍患者（9名帕金森病患者和1名肌张力障碍患者）进行了研究。这些患者均植入了针对内苍白球（GPi）的DBS电极。通过无线记录技术，研究人员在患者处于药物治疗状态时，对其进行了TUS刺激，并记录了DBS电极处的LFP。实验包括三个阶段：第一阶段获取患者的MRI图像用于个性化的超声模拟；第二阶段和第三阶段分别进行TUS刺激和电生理记录，两次记录至少间隔一周。在TUS刺激过程中，研究人员采用了tbTUS和10 Hz TUS两种不同的刺激模式，并设置了主动和被动假刺激作为对照。结果显示，在TUS刺激期间及刺激后长达40分钟内，患者的GPi区域LFP功率发生了显著变化。具体而言，tbTUS显著增加了3–30 Hz频段的总功率，平均增加了7.6%；而10 Hz TUS则使总功率平均增加了13%。相比之下，主动和被动假刺激均未引起显著的功率变化。进一步的频段分析表明，tbTUS主要在theta频段（4–7 Hz）引起功率增加，而10 Hz TUS则在beta频段（13–30 Hz）产生了更显著且持久的功率增强效应。此外，研究人员还发现，TUS诱导的LFP功率变化与患者的左旋多巴等效日剂量（LEDD）呈正相关，表明多巴胺能状态可能影响TUS的神经调控效果。

在健康参与者中，研究人员通过停止信号任务评估了TUS对行为的影响。停止信号任务是一种经典的用于评估反应抑制能力的行为学实验范式，依赖于基底神经节的功能。研究人员分别对参与者的GPi和丘脑枕核进行了tbTUS刺激，并比较了刺激前后参与者在停止信号任务中的表现。结果显示，对GPi的TUS显著延长了参与者的停止信号反应时间，表明反应抑制能力受损，而对丘脑枕核的刺激则未引起显著的行为学变化。这一结果进一步证实了TUS的靶向特异性，即TUS能够精准地调节特定脑区的功能，从而影响相应的行为表现。

综上所述，本研究通过在运动障碍患者和健康参与者中应用TUS，从神经生理学和行为学两个层面揭示了TUS对基底神经节的调控效果。研究结果不仅为TUS作为一种非侵入性深脑刺激技术的潜力提供了直接证据，还强调了其在神经和精神疾病治疗中的潜在应用价值。未来的研究可以进一步探索TUS在不同疾病状态下的作用机制，并优化刺激参数以提高其治疗效果。