追问新知 | 脑机接口前瞻：超声如何调控大脑？

在相当长的一段时间内，大脑对于人类就像是一个黑匣子，尽管我们做任何事情都离不开大脑，但是我们对于大脑的认知却相当局限，更不用说去理解大脑的机制以及调控大脑。

如今，新兴发展的技术发展有望帮助我们打破桎梏，例如当下蓬勃发展的各类脑机接口技术。而作为一种非侵入式的手段，聚焦超声（FUS）目前已经成为颇有前景的神经调控技术之一。

什么是聚焦超声？

超声大家可能都比较熟悉，指的是频率高于20000赫兹的声波。超声波有着良好的穿透性、方向性和聚焦性，因此如果有着精准地指引，那么就可能在不开刀的情况下直接用超声解决身体中的部分疾病，从而进行无创手术。这一构想早在20世纪50年代就被提出，不过等到聚焦超声真正的应用于临床，则已经是20世纪90年代。

根据超声的强度，可以分为高强度超声（

​HIFU）和低强度超声（LIFU）。最早在临床开展研究的便是HIFU，由于其可以聚焦并杀死区域细胞，因此在临床上多用于肿瘤治疗。

值得一提的是，1997年重庆医科大学的王智彪教授团队提出生物学焦域来描述组织经超声辐照后的损伤，从而与声学焦域建立了联系，大大缩短了HIFU技术应用于临床的时间，此后“海扶刀”正式进入临床，1999年“海扶刀”经SFDA批准进入市场，随后出口到多个欧洲国家。

▷HIFU用于脑部神经治疗的示意图和工作原理。图片来源：High-intensity focused ultrasound: past, present, and future in neurosurgery

不过HIFU可以在短时间内使得局部组织的温度升高超过60度，从而造成局部不可逆的永久性损伤。尽管HIFU也可以用于部分神经调控，但是目前主要研究的则是LIFU技术。

为什么LIFU可以进行神经调控？

LIFU进行神经调控的主要机制是机械效应机制。我们的细胞膜上有很多离子通道，当超声波刺激细胞的时候就会激活神经元内机械敏感离子通道，从而使得神经细胞放电，触发突触释放神经递质，利用这个原理我们就可以通过LIFU对神经进行调控。

除此之外，空化效应机制也是LIFU可以进行神经调控的机制之一。人体内的组织内有气体的存在，而气体在不同频率的超声作用下就可能出现气泡膨胀、缩小或者炸裂的情况，这就是空化效应。细胞在空化效应作用下就会导致细胞膜上的电荷发生改变，从而诱导动作电位的产生，进而进行神经调控。

实际上，早在2008年，科学家们就通过LIFU直接诱发小鼠海马体产生动作电位和突触传递，证实了其可以用作神经调节的工具。

▷通过MRI进行脑部定位并利用LIFU进行神经调控的示意图。图片来源：A Review on Brain Stimulation Using LowIntensity Focused Ultrasound

此后多项研究证实，LIFU可以调节大脑皮层、皮层下神经元活动以及初级躯体感觉皮层等多个脑区的神经活动，这为LIFU在多种神经疾病的治疗打下了基础。

LIFU可以治疗哪些神经和精神疾病？

抑郁是现代社会最常见的精神类疾病。对抑郁症患者和健康人群的研究显示，腹内侧前额叶皮层（ vmPFC）在情绪发生和调节中发挥着重要作用。

研究证实，通过LIFU对慢性疼痛患者的额叶大脑皮层进行短时间的照射（8秒），可以有效地提高患者的积极想法；而通过LIFU长时间（20~30分钟）刺激右额下回可以显著增加负面情绪水平。另外，通过LIFU刺激小鼠的腹内侧前额叶皮层，可以有效地增加小鼠的快感，并逆转其抑郁状态。这表明通过LIFU刺激大脑中对应的脑区有望帮助我们解决抑郁相关问题。

癫痫也是一种在全球范围内疾病负担比较重的神经疾病之一，大约有5000万人受到癫痫的困扰。癫痫是神经元过度兴奋或者神经元抑制不足导致重复发作的神经系统疾病，并且由于发病的部位并不是在固定的脑区，因此无法通过常规的手术进行治疗。

在小鼠模型中，研究人员发现通过LIFU可以有效地抑制小鼠大脑内和癫痫发作相关的神经信号通络，从而有效地降低了癫痫的发生频率；通过对癫痫患者的颞叶脑切片进行LIFU调控，发现其可以有效地调节和癫痫相关的神经元的电活动，同样可以降低癫痫发作频率。

▷用于治疗癫痫小鼠模型的LIFU设备。图片来源：Low-Intensity Focused Ultrasound-Mediated Attenuation of Acute Seizure Activity Based on EEG Brain Functional Connectivity

对于神经退行性疾病，LIFU也可以发挥治疗作用。在小鼠研究中证实，通过LIFU照射患有阿尔兹海默症小鼠的海马区，可以增加大脑内神经营养因子水平，并明显降低β淀粉样蛋白水平。对4名阿尔兹海默症患者的研究显示，通过LIFU治疗可显著改善患者脑区的代谢，提升其认知和记忆功能。另外，在小鼠模型中证实LIFU可以通过降低脑内炎症有效缓解帕金森病（PD）症状。

除了直接进行治疗外，发表在《科学转化医学》杂志上的研究表明，可以通过聚焦超声打破大脑区域内的血脑屏障，使得药物可以进入到大脑中进行治疗，从而有效地针对多种脑部疾病进行治疗。

目前人们正在通过各种技术探索并治疗人体中最复杂的器官——大脑。无创调控神经，并不是奢望。

作者：Aaron

编辑：EY

排版：Aaron

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