低強度聚焦超聲神經調控作用研究進展

李 茜，陳雪瑩，王 冬

(重慶醫科大學附屬第一醫院超聲科，重慶 400016)

神經調控是采用侵入性或非侵入性技術，以物理性(光、磁、電、聲)或化學性手段調節神經元及其所在神經網絡活性，最終引起特定神經功能改變的生物醫學工程技術，為腦神經科學基礎研究和臨床治療中樞神經系統疾病提供了全新且有價值的工具。深部腦刺激(deep brain stimulation, DBS)是目前廣泛應用的侵入性神經調控技術，通過立體定向植入電極對腦內特定靶點進行慢性電刺激，是治療原發性震顫和帕金森病的長期而有效的方法；但DBS需要定期更換電池，且有出血、感染等風險[1]。經顱磁刺激(transcranial magnetic stimulation, TMS)和經顱直流電刺激(transcranial direct current stimulation, tDCS)利用不同電磁原理將電流傳遞到特定皮質區域，誘導神經元興奮[2]，均存在空間分辨率相對較低(厘米量級)和難以刺激大腦皮層下組織等缺點。經顱聚焦超聲具有非侵入性、高滲透性、高空間分辨率(約數毫米)等優勢，在神經調控領域受到廣泛關注。

超聲波能以連續波或脈沖波形式進入人體各組織，通過壓縮和膨脹媒質傳遞能量；按照強度可分為高強度超聲和低強度超聲(low-intensity ultrasound, LIUS)[3]。早期相關研究主要采用高強度超聲，高強度聚焦超聲可通過熱消融和空化效應方式使特定腦區瞬時達到高溫(>60℃)，導致組織凝固性壞死、蛋白變性[4]，以永久性損傷方式消除病灶并調節神經網絡。低強度超聲主要利用機械能，在不引起生物組織溫度顯著升高的前提下進行治療[3]，目前低強度聚焦超聲(low-intensity focused ultrasound, LIFU)已在促進骨折愈合、軟組織再生等方面獲得良好效果[5]。本文對LIFU的神經調控作用研究進展進行綜述。

1 概述

2008年，TYLER等[6]通過LIUS直接誘發小鼠海馬CA1椎體神經元動作電位和突觸傳遞,證實LIUS可作為調節神經元活動的工具。TUFAIL等[7]進一步利用LIFU照射顱骨完整活體小鼠的海馬區，發現LIFU能非侵入性刺激完整小鼠腦回路。隨后LIFU對腦皮層及皮層下神經元活動的調節作用相繼在大鼠[8]、兔[9]及非人靈長類動物[10]模型中得到證實。LEGON等[11]利用LIFU定向刺激初級軀體感覺皮層(S1)，發現受試者觸覺感知能力提升，且正中神經刺激引起的體感誘發電位顯著減弱，為LIUS用于人類局部皮層神經調節提供了依據。

2 LIFU神經調控作用的潛在機制

目前多數研究[12-13]認為LIFU利用機械效應機制和空化機制等非熱機制調節神經元活性。

2.1 機械效應機制 超聲波在組織傳播過程中產生的聲輻射力(acoustic radiation force, ARF)可引起細胞膜機械振動和形變，激活神經元內機械敏感離子通道，進而引起細胞放電。TYLER等[6]研究表明，LIFU可分別觸發海馬CA1椎體神經元電壓門控鈉通道和電壓門控鈣通道，產生電流瞬變觸發突觸胞外分泌和突觸傳遞。此外，機械敏感離子通道如雙孔域家族K2P離子通道、Piezo離子通道、瞬時感受器電位(transient receptor potential, TRP)、瞬時受體電位錨定蛋白1(transient receptor potential ankyrin 1, TRPA1)對機械力的敏感度均較高，可在LIFU刺激下實現機械-電信號轉化[14]。一項針對突變體秀麗隱桿線蟲模型的行為學研究[15]表明，去除機械敏感離子通道可抑制神經元對機械刺激的反應，而去除熱敏離子通道后反應不受限，表明機械性刺激為LIFU引起神經元活動的主要機制。

2.2 空化效應機制 空化效應指組織內的氣體在不同參數超聲波作用下出現微泡膨脹、收縮甚至爆裂的現象，亦為超聲波神經調控的重要機制，其可分為慣性空化及非慣性空化。KRASOVITSKI等[16]提出膜內空化概念，即細胞膜脂質雙分子層在超聲波產生的機械力作用下發生擴張和收縮，導致膜內空間收縮和膨脹。細胞膜和細胞骨架的周期性舒張和收縮影響離子運動。PLAKSIN等[17]在此基礎上提出了神經元膜內空化激發假說，即膜內空化效應產生電容位移電流，導致電荷在數十毫秒中積累，最終觸發動作電位。

3 LIFU在顱腦疾病中的研究進展

目前LIFU已成為研究動物和人類大腦內神經元活動、腦區功能及其連接的非侵入性方法，近年在治療癲癇、帕金森病(Parkinson diseases, PD)、阿爾茨海默病(Alzheimer's disease, AD)及抑郁癥等中樞神經系統疾病中展現出一定效果。

3.1 癲癇 癲癇是以神經元過度興奮或神經元抑制不足而致反復發作的常見神經系統疾病。難治性癲癇病灶常位于重要腦區或呈多發、彌漫性分布于大腦半球，無法通過常規手術方式予以切除，使得神經調控成為重要治療方法。臨床前研究[18-19]結果顯示，LIFU具有調節或中斷癲癇動物模型異常神經電活動的能力。MIN等[18]發現，戊四氮癲癇大鼠接受LIFU刺激后，腦電圖顯示癲癇爆發的信號數量明顯減少，證實LIFU可有效抑制戊四氮誘導的大鼠急性癲癇活動。CHEN等[20]進一步探索發現LIFU抑制急性癲癇發作可能與PI3K-Akt-mTOR信號通路相關。HAKIMOVA等[19]在紅藻氨酸誘導的大鼠顳葉癲癇模型中發現LIFU能有效控制慢性期癲癇復發并改善與癲癇相關的社交障礙和抑郁行為。鄒俊杰等[21]建立癲癇猴模型，發現予以LIFU刺激后癲癇發作次數和持續時間均顯著降低，為臨床轉化提供了重要的實驗證據。LIN等[22]采用與膜片鉗技術兼容的微型超聲刺激儀對15例癲癇患者的顳葉腦切片進行LIFU照射，發現超聲波能可逆性抑制神經元癲癇樣放電，抑制持續時間達75 s；進一步觀察發現超聲波刺激可誘導抑制性突觸輸入增加，進而調節突觸輸入以抑制癲癇樣放電。上述研究初步支持LIFU具有調節異常神經網絡和治療癲癇作用。

3.2 PD PD是以運動遲緩、僵直和靜止性震顫為特征的神經退行性疾病，皮質-基底神經節神經環路在PD發生中發揮重要作用[23]，LIFU調控此環路及環路上重要的腦深部神經核團是治療PD的方法之一。WANG等[24]以LIUS刺激PD小鼠模型丘腦底核(subthalamic nucleus， STN)，發現初級運動皮層(M1區)的局部場電位信號(local field potentials， LEP)明顯減弱， 表明LIFU可誘導PD小鼠運動皮層興奮。ZHOU等[25]采用可穿戴式超聲換能器以LIFU精準刺激PD小鼠運動皮層，結果顯示小鼠在曠場試驗中的探索能力及爬桿試驗中的運動遲緩和平衡障礙均得到顯著改善，LIFU可提高PD小鼠運動能力。XU等[26]發現PD小鼠接受LIFU照射后黑質紋狀體內多巴胺水平與對照組相比明顯增加，且小鼠運動活性增加。周慧[27]報道，以LIFU刺激慢性PD小鼠STN能抑制小膠質細胞慢性炎癥反應和星形膠質細胞活性，表明LIFU可通過抑制PD小鼠腦內慢性神經炎癥反應而發揮神經保護作用。

3.3 情緒障礙及抑郁 腹內側前額葉皮層(ventromedial prefrontal cortex， vmPFC)在情緒和情緒調節中發揮重要作用[28]，以LIFU刺激相關腦區有望成為調節情緒及相關疾病的手段之一。HAMEROFF等[29]采用8 MHz臨床超聲設備照射慢性疼痛患者額葉大腦皮層15 s，之后患者情緒出現積極改變。SANGUINETTI等[30]發現以LIFU刺激右額下回20～30 min可致負面情緒顯著增加，且功能MRI(functional MRI， fMRI)結果顯示背外側前額葉皮層、內側前額葉皮層和右額下回之間連接增加，而右額下回與邊緣系統間連接減少，提示LIFU刺激可改變情緒處理和情緒相關神經網絡電活動。LIFU對于接受抑郁大鼠模型[31]具有抗抑郁作用，蛋白印跡分析表明LIFU可提高海馬組織腦源性神經營養因子(brain-derived neurotrophic factor， BDNF)水平，并促進海馬神經元增殖。ZHANG等[32]建立慢性接受不可預測壓力抑郁小鼠模型，并以LIFUS刺激vmPFC，結果顯示LIFUS可成功扭轉小鼠抑郁狀態，如行為減少和快感缺乏等。

3.4 AD LIN 等[33]以LIFU照射鋁誘導AD大鼠腦損傷模型的海馬區，發現海馬區內BDNF等神經營養因子水平增加，且鋁濃度、乙酰膽堿酶活性和β-淀粉樣蛋白(amyloid β-protein， Aβ)水平明顯降低，大鼠模型記憶能力和認知功能均有所改善。HUANG等[34]發現采用LIFU刺激大鼠海馬CA1神經元能影響樹突棘的密度和功能，并使谷氨酸受體N2A(glutamate receptorsN2A， GluN2A)表達上調。一項針對4例AD患者的初步臨床研究[35]表明，LIFU可提高患者顳葉、扣帶回和額葉皮質的局部葡萄糖代謝率并改善其記憶、認知功能，且未引起明顯血腦屏障損傷。

4 LIFU的安全性

大量動物實驗和人體試驗均未發現LIFU致組織或神經元功能損傷，亦無受試動物或人體出現嚴重行為異常和精神改變的報道，但其安全性仍有待進一步探索。

總之，LIFU神經調控在神經科學領域具有良好應用前景，同時仍存在許多未知領域，如超聲參數選擇、研究對象種族差異、長期安全性以及具體作用機理等，有待深入研究。