科研速递 | 聚焦超声刺激STN神经元放电阈值的数值仿真研究
脑电图（Electroencephalography，EEG）是有效测量神经元活动的脑功能成像技术之一，但因脑组织的容积导体效应导致其空间分辨率较低，难以定位诱发的兴奋神经元区或病灶区。近年研究表明，具有高空间分辨率的聚焦超声（Focused Ultrasound，FUS）与高时间分辨率EEG相耦合的多模态成像技术有望充分发挥两种技术的优势，成为同时兼备高空间和高时间分辨率的成像技术。该技术须在超声刺激不影响神经元放电的前提下进行，故迫切需要确定不影响神经元放电的超声刺激参数阈值。
最近，天津大学神经工程团队博士研究生张浩将丘脑底核（Subthalamic Nucleus，STN）神经元放电模型和双层声团（Bilayer Sonophore，BLS）模型相结合，数值仿真不同刺激参数的条件下神经元放电节律，对比研究有超声刺激和无超声刺激时神经元放电节律的相关程度和频率差异，得到了超声辐照神经元但不诱发神经元放电的有效阈值参数范围。相关成果发表于中科院2区期刊《IEEE Transactions on Biomedical Engineering》。
该研究团队将BLS模型和STN神经元模型相结合，进而数值仿真不同超声刺激条件下神经元放电节律的变化。具体来说，他们使用Rayleigh-Plesset方程计算正弦超声波辐照时，神经元双层脂质膜相对其静止位置的最大位移；使用Hodgkin-Huxley方程计算STN神经元的离子电流及放电节律变化。研究将静息态（无超声刺激）下的神经自发放电节律作为标准，分析了不同超声刺激条件下神经元放电节律与标准节律之间的相关程度和频率差异。
图1 BLS模型的示意图。静息态（无超声）的神经元是一个圆形的扁平膜；当超声辐照时，神经元会变成一个圆顶形的双层膜。
与静息态相比，超声刺激时（Isppa=30W/m^2，f=1MHz，连续波刺激）神经元电容变化曲线上的尖峰数从5个增加到16个，尖峰均值由0.91μF/cm^2减小至0.75μF/cm^2；位移变化曲线的尖峰数与电容曲线同步增加，峰值均值从0.1372nm由增加至0.4626nm。
图2神经元脂质膜的位移和电容变化曲线图。（a1）-（b1）有超声刺激时电容和脂质膜位移变化；（c1）-（d1）无超声刺激时电容和脂质膜位移变化；（a2）-（d2）局部放大图。
选用脉冲重复频率PRF=250Hz，占空比DC=0.5的脉冲超声，在基频f=0.5MHz~1.5MHz和强度I=0.5W/m^2~1.5W/m^2的超声刺激条件下，分析神经元放电节律相关系数和频率误差变化趋势如图3所示。由图3可知，f对相关系数的影响为0.0007/0.1MHz，f对频率误差的影响为0.0337Hz/0.1MHz。I的影响分别为0.0090/0.1W/m^2和0.4423Hz/0.1W/m^2。
图3 不同f-I下脉冲波刺激的神经元放电结果。（a）不同f-I的相关系数矩阵图；（b）不同f-I的频率误差图；（c）不同超声波f影响的拟合曲线；（d）不同超声波I影响的拟合曲线。
选用I=1W/cm^2，f=1.1MHz的脉冲超声，在PRF=100Hz~1000Hz和DC=0.1~1的超声刺激条件下，分析神经元放电节律相关系数和频率误差变化趋势如图4所示。由图4可知，PRF对相关系数的影响为1.345x10^(-7)/0.1kHz，PRF对频率误差的影响为6.879x10^(-6)/0.1kHz。DC的影响分别为0.0153/0.1和0.6754Hz/0.1。
图4 不同PRF-DC下脉冲波刺激的神经元放电结果。（a）不同PRF-DC的相关系数矩阵图；（b）不同PRF-DC的频率误差图；（c）不同超声波PRF影响的拟合曲线；（d）不同超声波DC影响的拟合曲线。
综合考虑f、I、PRF和DC四种刺激条件，分析神经元放电节律相关系数变化趋势如图5所示。由图5可知，颜色越蓝表示超声刺激后的放电节律与静息态差异越大，超声刺激的影响越显著；颜色越黄且相关系数大于0.9（红色虚线）的区域即为超声刺激但不影响神经元自发放电的阈值范围。
图5 不同f、I、PRF和DC参数组合下脉冲波刺激的神经元放电结果。（a）不同PRF-I的相关系数矩阵图；（b）不同DC-I的相关系数矩阵图；（c）不同PRF-f的相关系数矩阵图；（d）不同DC-f的相关系数矩阵图。
本文有助于分析不同超声刺激条件下的神经元放电规律，进一步推动FUS在多模态电生理成像中的发展。
论文第一作者为天津大学博士研究生张浩和许敏鹏教授，通讯作者为明东教授。
原文链接：
https://ieeexplore.ieee.org/document/9931905
Zhang H, Xu M, Zhang Y, et al. Numerical simulation study of firing threshold of STN neuron stimulated by focused ultrasound[J]. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2022.