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功能性超声成像技术通过声学透明颅窗监测人脑活动：一项突破性研究

一、研究团队与发表信息

本研究由Claire Rabut（加州理工学院化学与化学工程系）、Sumner L. Norman（加州理工学院生物学与生物工程系）等共同完成，合作单位包括南加州大学神经修复中心、加州大学河滨分校等。研究成果于2024年5月29日发表在Science Translational Medicine（期刊）上，标题为《Functional ultrasound imaging of human brain activity through an acoustically transparent cranial window》。

二、学术背景

科学领域：本研究属于神经影像学（neuroimaging）与脑机接口（brain-machine interface, BMI）的交叉领域。
研究动机：现有脑活动记录技术（如功能磁共振成像fMRI、颅内脑电图）存在侵入性高、灵敏度低或空间分辨率不足等问题。功能性超声成像（functional ultrasound imaging, fUSI）是一种新兴技术，可通过检测血流变化间接反映神经活动，但其信号易被成人颅骨衰减，限制了临床应用。
研究目标：开发一种声学透明的颅窗植入材料，实现fUSI在清醒成年人中的非侵入性、高分辨率脑活动监测，并为脑损伤患者的术后恢复监测提供新工具。

三、研究流程与方法

研究分为四个主要阶段，结合体外模型、动物实验和人体试验：

1. 体外血管模型验证

   • 研究对象：模拟脑血流的仿体（含280微米直径流动通道），测试不同厚度（1/2/3 mm）的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和钛网植入物的超声穿透性。
     
   • 实验方法：使用7.5 MHz线性超声探头，测量多普勒信号强度（power Doppler intensity）和信噪比（SNR）。
     
   • 关键创新：开发专用fUSI脉冲序列，优化信号采集。
     

2. 大鼠颅骨缺损模型验证

   • 样本量：4只Long-Evans大鼠，急性颅骨切除后植入PMMA或钛网。
     
   • 实验设计：通过视觉刺激任务（蓝光LED闪烁）激活外侧膝状体（LGN），对比不同植入材料下的fUSI信号灵敏度。
     
   • 数据分析：采用广义线性模型（GLM）和奇异值分解（SVD）滤波分离血流与组织信号。
     

3. 人类患者颅窗设计与植入

   • 病例：一名30多岁男性创伤性脑损伤（TBI）患者，接受左半球颅骨切除术后30个月。
     
   • 植入物设计：定制2 mm厚PMMA声学窗口（34 mm×50 mm），覆盖初级运动皮层和顶叶皮层。
     
   • 术前准备：通过fMRI定位功能区域，指导窗口位置规划。
     

4. 人类脑功能任务监测

   • 任务设计：
     
     • “连线游戏”任务：区块设计（100秒休息 vs. 50秒任务），记录手部运动相关皮层活动。
       
     • 吉他弹奏任务：监测音乐演奏时的脑区激活。
       
   • 数据处理：使用主成分分析（PCA）和线性判别分析（LDA）解码任务状态（休息/活动），准确率达84.7%。
     

四、主要结果

1. 体外与动物实验：

   • PMMA的超声穿透性优于钛网，且信号衰减与厚度呈负相关（3 mm PMMA信号强度下降64%）。
     
   • 大鼠模型中，1 mm PMMA植入后仍可检测到视觉刺激诱发的LGN活动（p<10⁻⁵）。
     

2. 人类试验：

   • 通过PMMA窗口成功记录到清醒状态下的脑活动，空间分辨率达200微米。
     
   • “连线游戏”任务中，GLM分析显示任务调制区域（如初级体感皮层）信号变化显著（p<10⁻¹⁰）。
     
   • 解码分析证实单次试验即可区分任务与休息状态（p<10⁻¹⁵）。
     

3. 逻辑衔接：体外和动物实验验证了PMMA的声学性能，为人类颅窗设计提供依据；人类试验则证实了fUSI在临床环境中的可行性。

五、结论与价值

科学价值：
- 首次实现通过永久性声学颅窗对成年人进行非手术室环境下的fUSI脑活动监测。
- 为神经血管耦合机制研究提供了高时空分辨率工具（10 Hz帧率，200微米分辨率）。

应用价值：
- 为脑损伤患者术后恢复监测提供新方法（如创伤性脑损伤、颅骨切除综合征）。
- 推动脑机接口技术发展，未来或可应用于自由活动患者的神经信号解码。

六、研究亮点

1. 技术创新：

   • 开发定制PMMA颅窗，平衡机械强度与超声透明性。
     
   • 优化fUSI脉冲序列，提升穿透深度下的信号灵敏度。
     

2. 跨学科融合：结合材料科学（PMMA植入物）、超声工程（fUSI序列）与神经科学（任务范式设计）。

3. 临床转化潜力：研究直接面向临床需求，患者植入后无需额外手术即可长期监测。

七、其他重要内容

• 局限性：当前fUSI视野有限（38 mm×50 mm），且依赖外部超声设备。未来需开发便携式系统。
  
• 伦理考量：植入手术仅适用于需颅骨修复的患者，尚难推广至健康人群。
  

此研究为神经影像学和脑机接口领域树立了新的技术标杆，其跨学科方法和高临床转化潜力值得持续关注。