高精度经颅超声系统用于人类深部脑回路神经调控的研究报告

作者及机构
本研究由来自University College London和University of Oxford的多学科团队合作完成，主要作者包括Eleanor Martin、Morgan Roberts、Ioana F. Grigoras等，通讯作者为Charlotte J. Stagg和Bradley E. Treeby。研究成果于2025年发表在*Nature Communications*期刊（DOI: 10.1038/s41467-025-63020-1）。

学术背景

科学领域与研究动机
本研究属于神经科学与医学工程交叉领域，聚焦非侵入式深部脑神经调控技术。基底节和丘脑核团等深部脑结构在人类行为调控中起核心作用，其功能异常与多种神经精神疾病（如帕金森病、抑郁症）相关。现有技术如深部脑刺激（Deep Brain Stimulation, DBS）需手术植入电极，而经颅磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulation, TMS）和经颅直流电刺激（Transcranial Direct Current Stimulation, tDCS）缺乏深部靶向精度。因此，开发兼具非侵入性和高空间精度的调控技术具有重要科学和临床价值。

研究目标
团队旨在开发一种新型经颅超声刺激（Transcranial Ultrasound Stimulation, TUS）系统，实现以下突破：
1. 精准靶向：聚焦深部脑区（如丘脑外侧膝状体核，Lateral Geniculate Nucleus, LGN），空间分辨率达毫米级；
2. 实时监测：兼容功能性磁共振成像（fMRI），动态观察神经调控效果；
3. 可重复性：验证跨个体实验的稳定性和特异性。

研究方法与流程

1. 超声系统设计与开发

核心设备：
- 256元件半球形换能器阵列：工作频率555 kHz，通过稀疏随机排布优化声场聚焦，自由场焦点体积仅3 mm³（横向1.3 mm，轴向3.4 mm），较传统小孔径换能器缩小1000倍。
- 立体定位头盔：基于成人头部平均尺寸建模，结合水耦合系统（37℃去离子水）和气压补偿装置，减少头部流体静压不适感。
- 个性化面颈固定面具：3D打印定制，通过解剖标志（如颧骨、枕骨）实现亚毫米级定位重复性（平均位移1.50±0.70 mm）。

创新算法与软件：
- K-Plan治疗规划系统：基于全波声学模型，整合个体CT数据预测颅骨声学畸变，优化驱动参数。
- 在线重规划协议：通过几何相位偏移校正微小头部位移，验证实验中焦点位置误差<0.9 mm。

2. 实验设计与执行

研究对象：7名健康受试者（6男，年龄28–54岁），完成密集采样实验（每人7次访视）。

实验流程：
- 在线刺激实验：
- 设计：单盲伪随机区块设计，视觉棋盘格任务中交替施加TUS（300 ms脉冲，3 s间隔，靶压775 kPa）与假刺激。
- 监测：fMRI每3 s采集一次，与超声脉冲交错以避免电磁干扰。
- 离线刺激实验：
- Theta爆发协议（Theta Burst Stimulation, TBS）：20 ms脉冲以5 Hz频率持续80秒，评估刺激后40分钟及140分钟的神经活动变化。
- 对照靶点：内侧背核（Medial Dorsal Nucleus, MDN），距LGN平均23 mm。

3. 数据分析

• fMRI处理：使用FSL软件包进行运动校正、场图解扭曲、独立成分分析（ICA）去噪。
  
• 统计模型：混合效应GLM分析，聚类校正阈值Z=3.1，p<0.05。
  

主要结果

1. 在线刺激效应：

   • LGN靶向TUS显著增强同侧初级视觉皮层（V1）任务相关活动（p<0.05），效应量跨个体高度一致（图3d-e）。
     
   • MDN刺激未引起V1活动变化，证实靶点特异性。
     

2. 离线刺激效应：

   • TBS协议导致V1活动抑制，持续至少40分钟（早期扫描期，p<0.05），140分钟后效应消失（图4）。
     
   • 声学仿真显示脑内最大温升<0.2°C，机械指数（MI）<1.9，符合安全标准。
     

3. 系统性能验证：

   • 颅骨实验验证焦点位置误差<0.9 mm，压力振幅偏差<21%。
     
   • MR兼容性测试显示超声系统对图像信噪比（CNR）影响可忽略（26 vs. 30）。
     

结论与意义

科学价值：
- 技术突破：首次实现人类深部脑核团（如LGN）的非侵入毫米级精准调控，填补了DBS与TMS/tDCS之间的技术空白。
- 机制探索：证实超声可通过调制丘脑-皮层回路诱导长时程神经可塑性，为研究意识、感知等高级功能提供新工具。

应用前景：
- 临床转化：潜在应用于帕金森病、抑郁症等疾病的非侵入治疗，或作为DBS术前靶点验证手段。
- 基础研究：支持因果性神经环路解析，推动从动物模型到人类研究的转化。

研究亮点

1. 超高空间精度：3 mm³焦点体积可选择性调控微小核团（LGN体积约80 mm³）。
   
2. 多模态整合：首创TUS-fMRI同步系统，实现“刺激-监测”闭环。
   
3. 可扩展性：系统设计支持靶向其他深部结构（如基底节、下丘脑）。
   

局限与展望：
- 当前系统对浅表皮层靶向效率较低（颅骨入射角>15°时能量衰减显著）。
- 未来需优化Theta爆发参数以增强抑制/兴奋效应的可控性。

本研究为深部脑神经调控领域树立了新标杆，其技术框架与发现将为神经疾病治疗和脑科学研究开辟全新路径。