概要：研究人员开发了一种突破性的超声波设备，可以同时刺激大脑中的几个精确点，标志着非侵入性神经调节领域的一大飞跃。与早期的单点方法不同，该技术使用较低强度的超声波脉冲，降低了过热和不受控制的大脑兴奋风险。该方法还允许科学家同时观察大脑活动，使他们能够直接看到哪些网络受到影响。尽管仍处于早期动物测试阶段，但这种方法可能为神经和精神疾病的新疗法打开大门。
关键事实
- 多点精确度：使用全息式超声波同时刺激3-5个脑区。
- 较低强度=更安全：在降低的超声功率下工作，将脑部或血管损伤风险降至最低。
- 未来应用：可能有助于阿尔茨海默病、癫痫、震颤、帕金森病、抑郁症和中风的治疗。
来源：ETH
如今，一个人的第一张照片通常是在子宫内的超声波扫描。但这项技术的能力远不止于此。理疗师长期以来一直使用超声波来加热身体组织，而肿瘤外科医生则使用高强度超声波——以及它在体内产生的热量——来摧毁肿瘤。
在过去十年中，科学家们还一直在研究如何使用低强度超声波以靶向方式影响大脑中的神经活动。初步临床试验已经在验证这种"神经调节"是否有助于缓解阿尔茨海默病或癫痫患者的症状，或者震颤患者的颤抖。
现在，来自苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）、苏黎世大学和纽约大学的研究人员成功改进了大脑超声刺激技术。科学家们开发了一种设备，首次允许他们同时刺激大脑中三个或多达五个精确定义的点，正如他们在研究中所展示的。到目前为止，这只是在一定程度上可能实现的——而且精确度要低得多。
"鉴于大脑以网络方式运作，如果你同时在多个点进行刺激，就更容易激活或抑制一个脑网络，"苏黎世联邦理工学院和苏黎世大学的教授Daniel Razansky解释道。Razansky与来自纽约大学的一位同事共同领导了这项工作。
穿颅技术
在这种方法中，神经调节是通过将设备放置在头顶，穿过颅骨进行的。这是一种非侵入性技术——换句话说，不需要进行开颅手术或其他外科干预。
研究人员在实验室对小鼠进行了神经调节。为此，他们将小鼠头部置于一个配备有数百个研究人员开发的超声换能器的罩子中心。
在复杂刺激电子设备的帮助下，这些换能器产生短暂的超声波脉冲，使得超声波在大脑内部相互干涉。
其原理类似于全息图，全息图是由光波之间的相互作用产生的明显三维图像。在苏黎世和纽约研究人员开发的新方法中，通过叠加大量超声波产生单个焦点。
通过同时在多个位置调节脑网络，研究人员可以使用比单点刺激更低的超声强度。
"超声波强度越低，这个过程对大脑就越安全，"Razansky解释道。
早期的超声神经调节方法经常受到"全有或全无"效应的困扰：如果超声波太弱，它就不起作用，而过高的强度会导致整个大脑不受控制的兴奋，这有脑损伤的风险。此外，高强度超声可能会导致脑部或颅骨中的血管损伤和其他不希望的过热效应。
对蛋白质的机械影响
低强度聚焦超声波脉冲具有短期效应，包括焦点区域短暂的温度升高。此外，人们认为它们还会影响神经元表面的通道蛋白，这些蛋白控制着离子进出细胞的运输。哪些机制有助于神经元的激活和抑制——以及在多大程度上——是研究人员仍需详细调查的内容。
这种方法不仅可以用于激活脑网络，还可以通过成像同时可视化这种激活，因此研究人员可以立即看到哪些网络已被激活。
研究人员最近在《自然-生物医学工程》杂志上发表的这项研究旨在开发该技术，并非针对医疗应用。
动物实验对这项研究至关重要
Razansky解释说，这项研究以及与纽约大学研究人员的合作主要由美国国立卫生研究院（United States National Institutes of Health）资助。由于该机构目前正面临政治压力，不再向国际研究合作伙伴提供资金，研究人员目前无法在相同的框架内继续他们的合作。然而，他希望尽最大努力通过其他资金来源继续这项工作。
接下来，研究人员希望专注于应用，并在各种脑部疾病的动物模型中测试该技术。除了阿尔茨海默病、震颤和癫痫外，其他潜在的医疗应用还包括抑郁症、帕金森病和中风康复治疗。
"我们的研究依赖于动物，"Razansky说。"在如此早期的阶段，在人类身上研究这些发展是不可能的。我们首先需要学习如何控制干预措施，并确保它对治疗脑部疾病是安全有效的。"
Razansky的团队专门从事超声波和光学成像技术的开发——特别是系统工程方面、实验方法和数据分析。来自纽约的同事们贡献了他们在神经科学领域的专业知识。设备的开发和实验在苏黎世进行。
关键问题解答
问：这种超声波脑部刺激方法有什么新意？
答：研究人员首次能够非侵入性地同时精确刺激3-5个脑区。
问：为什么多点脑部刺激很重要？
答：大脑以网络方式工作，因此同时靶向多个区域更容易安全有效地影响大脑活动。
问：这种神经超声技术未来可能帮助治疗哪些疾病？
答：阿尔茨海默病、癫痫、震颤、帕金森病、抑郁症和中风康复等都是潜在的应用领域。
关于这篇超声波和神经技术研究新闻
作者：Marianne Lucien
来源：ETH
联系方式：Marianne Lucien – ETH
图片：图片由Neuroscience News提供
原始研究：开放获取。
Daniel Razansky等人发表的《全息穿颅超声神经调节通过协同招募分布式脑回路增强刺激效果》，发表于《自然-生物医学工程》
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