超聲刺激對神經遞質的調節作用

劉亮，隨力，吳拾瑤，楊蘭

上海理工大學醫療器械與食品學院，上海200093

前言

超聲波是頻率高于20 kHz 的聲波，在生物醫學領域有著廣泛的應用，如超聲成像、多普勒成像、碎石術等。超聲具有波長短、方向性好、穿透能力強的性質［1］，可以作為一種刺激手段應用于神經網絡，例如腦刺激技術等［2］。超聲可以非侵入性跨過顱骨在腦內聚焦，進行神經調控，目前的研究表明超聲神經調控的機制有多種，如機械效應、空化效應等［3］，但超聲神經調控的確切機制尚未完全闡明。

神經遞質是神經元之間或神經元與效應器細胞如肌肉細胞、腺體細胞等之間傳遞信息的化學物質，在神經元信息傳遞的各個方面均起到重要作用。近年來，超聲刺激（Ultrasound Stimulation, US）作用于神經系統對神經活動進行調節的神經調控功能引起了關注，但US的神經調控機制尚未完全闡明。US的神經調控功能和US 調節神經遞質有密切的關系，本文歸納總結了US對神經遞質的調節作用。

1 US調節神經遞質的實驗研究

神經遞質有很多種，大致分為4 類，分別為生物原胺類、氨基酸類、肽類和其他類。其中生物原胺類神經遞質包括多巴胺（Dopamine,DA）、五羥色胺（Serotonin,5-HT）、腎上腺素（Adrenaline,A）和去甲腎上腺素（Noradrenaline, NE）等。氨基酸類神經遞質包括谷氨酸（Glutamate, Glu）、γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid,GABA）、組胺和乙酰膽堿（Acetylcholine,Ach）等。現有的研究表明US 對生物原胺類和部分氨基酸類神經遞質的水平具有調節作用（表1）。從表1可以看出，超聲神經調控與超聲頻率和強度的大小密切相關，超聲強度是指單位時間內垂直于傳播方向通過單位面積的聲能量，可以用空間峰值平均脈沖聲強（Spatial Peak-Pulse Average Intensity,ISPPA）、空間峰值平均時間聲強（Spatial Peak-Temporal Average Intensity, ISPTA）、空間峰值時間峰值聲強（Spatial Peak-Temporal Peak Intensity, ISPTP）、空間平均時間平均聲強（Spatial Average-Temporal Average Intensity,ISATA）［3］來表示。ISPPA為單個脈沖的平均超聲強度；ISPTA是整個時間內的平均超聲強度；ISPTP是時間峰值聲強的最大值；ISATA是時間的平均聲強與聲束斷面面積比值的平均值。

表1 超聲刺激對神經遞質調節的實驗研究總結Tab.1 Experimental summary of the regulation of neurotransmitters by ultrasound stimulation

US 可以改變神經遞質的含量，有研究進一步表明神經遞質的變化幅度和時程與US 施加的時間有密切的關系。Min 等［5］和Yang 等［11］的研究進一步 顯示在施加超聲20 min 之后，額葉細胞外DA、5-HT 和GABA 的水平變化可持續2 h，而Glu 濃度幾乎沒有變化，如表2所示。

表2 神經遞質的變化和超聲刺激時間的關系Tab.2 The relationship between neurotransmitter changes and duration of ultrasound stimulation

研究表明，US 還可影響后代神經遞質的含量，US 能夠增加小鼠胎兒腦組織中的Ach、乙酰膽堿酯酶和GABA［12］。最近的研究顯示，低強度低頻超聲可以通過激活星形細胞的TRPA1 通道，打開鈣離子通道而促進Glu的釋放［13］。

2 US調節神經遞質的作用機制

神經系統內信息傳導的關鍵部位是釋放神經遞質的化學突觸，包括突觸前膜、突觸間隙和突觸后膜。突觸前膜有密集的突觸小泡，其中含有高水平的神經遞質。當神經沖動沿軸突傳遞到突觸前膜時，小泡移動到突觸前膜并與其融合，神經遞質被釋放到突觸間隙，和突觸后膜上的受體作用，改變了受體蛋白或離子通道的構型，引起電位變化而使突觸后神經元或效應細胞的活性受到影響［14］。US可以介導調制效應，當突觸傳遞受阻后，US對神經元活動的誘導作用不再明顯，表明US 需要通過突觸傳遞諸如神經遞質等物質激活神經節細胞。

目前US 調節神經遞質的機制尚不完全清楚，現有的研究結果表明US 對神經遞質的調節涉及神經遞質突觸傳遞的各個過程（圖1）。US 調節神經遞質的機制可能和以下因素有關：①調控電壓門控離子通道的活性，影響神經元的興奮性。Tyler 等［15］用低強度聚焦US小鼠海馬區，使細胞內Na+和Ca2+濃度升高，從而誘導神經元活性變化。Tufail 等［16］認為以脈沖方式施加聚焦超聲可以調節離子通道的活性，表明US 可通過激活電壓門控離子通道來提高神經元的電活動［17］。Khraiche 等［18］的研究也得出了相同的結果。②調節神經遞質的釋放。Lin 等［19］的研究表明低強度脈沖US 可增強神經營養因子的蛋白表達，觸發胞吐作用調節神經遞質的釋放和突觸傳遞［20］，并且核磁共振引導的超聲能夠促進氣體類神經遞質如一氧化氮的釋放［21］。③促進神經遞質的吸收或去除。US 可以調節離子通道的活性，而Na-偶聯的GABA 受體可以促進GABA 的吸收或去除［22］，從而使神經遞質的局部濃度發生變化。④改變受體的表達。Pavlov 等［23］對小鼠海馬區施加低頻US，結果顯示某些神經遞質受體的表達發生變化，改變了神經遞質的基因，從而影響神經活動。

圖1 超聲刺激對神經遞質調控的模式圖Fig.1 Diagram of ultrasound stimulation regulating neurotransmitters

3 US調節神經遞質的特點

US 和其他一些神經調控技術，如經顱磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulate,TMS）、深部腦刺激（Deep Brain Stimulate, DBS）和經顱直流電刺激（Transcranial Direct-Current Stimulate, tDCS）都具有調控神經遞質的功能。

TMS 是在顱骨上施加強磁場，使大腦皮層表面產生感應電流。Keck 等［24］使用TMS 刺激腦額葉，發現紋狀體細胞外DA 濃度明顯升高，表明TMS 具有無創調節神經遞質的能力［25］。但是，磁刺激的感應特性會產生高度擴散的磁場，有嚴重的副作用［26］，并且精確刺激深部皮層結構的能力有限［27］。DBS 是在腦內特定區域植入電極，利用高頻電流刺激大腦神經核團。Lee等［28］在丘腦底核中植入電極進行DBS，引起了Glu 的釋放，從而改變了神經元動作電位。Van Dijk等［29］對伏隔核進行DBS，增加了前額皮質的DA、5-HT 和NE 釋放，表明DBS 能夠調節神經遞質的水平。但是，DBS 伴隨侵入式操作，可能會增加感染的危險或出現并發癥［30］。tDCS是一種通過頭顱表面的導電貼板將微弱恒定電流傳遞到腦內的技術［31］，研究表明興奮性（陽極）tDCS 導致局部GABA降低，而抑制性（陰極）tDCS 則導致谷氨酸能神經元活性降低［32］，表明tDCS 能對神經遞質的水平進行調節。但是，其作用深度淺，空間分辨率較低。

TMS、DBS、tDCS和US特性的比較見表3。綜上，US在調節神經遞質方面具有安全無創、靶點控制準確、方向性強、穿透深度大以及可圖像引導等特點。

表3 幾種神經調控技術的比較Tab.3 Comparison of several neuromodulation techniques

4 US調節神經遞質的潛在臨床應用

臨床上的一些神經和精神性疾病與神經系統內的神經遞質異常有著密切的關系，US 具有無創調控神經遞質的功能，因此US 成為治療或輔助治療一些神經和精神性疾病的潛在方法。

帕金森病（Parkinson's Disease, PD）是一種常見的神經系統退行性疾病，主要病變是黑質內多巴胺能使神經元凋亡，導致腦內DA 水平下降。Magara等［33］和Sperling 等［34］使 用 磁 共 振 引 導 聚 焦 超 聲（Magnetic Resonance-guided Focused Ultrasound,MRgFUS）和單側聚焦超聲丘腦移植對PD 患者進行治療并在三個月后進行回訪，發現患者的總體癥狀有所緩解，表明US 可以緩解PD 患者的癥狀。阿爾茲海默癥（Alzheimer's Disease,AD）是一種漸進性發展的神經退行性疾病，其病因和發病機制尚不清楚，可能與基因突變、β-淀粉樣蛋白代謝異常、神經細胞凋亡或者細胞間信息如神經遞質的傳遞出現問題有關。Lipsman 等［35］對早期AD 患者使用MRgFUS 安全開放了血腦屏障，發現3個月內患者的β-淀粉樣蛋白沒有群組變化，認知水平未下降，表明US 可以延緩AD 病情發展。重度抑郁癥是一種患病率較高的慢性精神障礙綜合征，可能與精神炎癥損傷、神經營養機制紊亂、神經遞質水平改變或受體基因異常有關［36］。Kim 等［37］通過MRgFUS 對重度抑郁癥患者進行雙側前囊切開術，使他們的抑郁癥狀得到了顯著改善，表明US可以改善重度抑郁癥狀。

綜上所述，US使用非侵入性、可控并精確聚焦的神經調節對大腦進行探索和治療，是神經遞質（DA、5-HT、GABA、Glu 等）異常導致的神經性疾病緩解和治療的潛在方法。

5 總結和展望

近年來，US 作為神經調控手段的研究引起了關注，本文總結了US 對神經遞質的調節作用，US 作為一種非侵入性、較安全的神經調控技術手段在臨床一些神經、精神性疾病的治療中展現出了較大的應用前景。

目前US 對神經遞質調節的研究取得了一些進展，但仍需進一步深入，未來US 調控神經遞質的研究可能集中于以下幾個方面：①實驗研究方面：探索US對更多種類神經遞質的調節作用，考慮US對多種動物模型不同腦區的研究。②實驗儀器方面：開發更為精確可控、方便調節參數并可設置多組刺激參數的US儀器，實現對神經系統的精確聚焦。③US參數進行選擇及優化：探索不同刺激參數對神經遞質的效果，設置多種刺激參數組合研究超聲對神經遞質影響的刺激閾值。④神經遞質的檢測方面：優化采集和檢測神經遞質的方法，如電化學檢測法和質譜法等。⑤臨床疾病方面：將US 對神經遞質活性的調節應用于人類，緩解和治療如PD、AD、抑郁癥、精神分裂癥、強迫癥、慢性疼痛及精神或活動障礙性神經疾病。