靶向胼胝体的经颅聚焦超声刺激抑制癫痫发作：一项在大鼠模型中的非侵入性神经调控研究

《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》：Transcranial Focused Ultrasound Stimulation Targeting White Matter Inhibits Seizures in a Rat Model of Epilepsy

本研究针对药物难治性癫痫治疗中侵入性方法风险高、现有非侵入性技术空间分辨率不足的难题，探索了靶向白质（特别是胼胝体）的经颅聚焦超声刺激（tFUS）作为一种新型非侵入性神经调控疗法的潜力。研究人员在4-氨基吡啶（4-AP）诱导的雄性大鼠皮质癫痫模型中，应用低强度tFUS（参数：20 ms脉冲持续时间、1 Hz脉冲重复频率、2%占空比、~127 kPa压力）干预胼胝体。结果表明，tFUS能显著降低癫痫发作时间百分比、发作持续时间和发作次数，并延长发作间期，且抑制效果可持续至刺激后2小时。脑电分析显示tFUS降低了beta频段的绝对功率，改善了半球间不对称指数（AI），并降低了相位滞后指数（PLI）所表征的网络同步化。此项研究首次证实了白质tFUS能够有效抑制癫痫发作并产生持久的后效应，为药物难治性癫痫患者提供了一种潜在的安全替代治疗方案。

　　

癫痫是一种常见的神经系统疾病，全球约有6500万患者，其中约三分之一属于药物难治性癫痫（DRE），他们对标准药物治疗反应不佳。对于这部分患者，手术切除致痫灶是一种选择，但即使病灶明确且位于非关键脑区，也仅有约50%的患者术后能达到无发作。此外，现有的非侵入性神经调控技术，如经颅磁刺激（TMS）和经颅直流电刺激（tDCS），虽有一定疗效，但其空间分辨率有限，难以精准靶向深部脑区。因此，开发一种能够非侵入性地、精准地调控特定脑网络活动，并能有效抑制癫痫发作的新技术，成为了当前癫痫治疗领域的重要挑战。

在此背景下，经颅聚焦超声刺激（tFUS）技术因其兼具非侵入性、高空间分辨率和深部脑组织穿透能力而备受关注。tFUS利用声波能量调控神经元活动，临床前及初步临床研究已提示其用于癫痫治疗的安全性和潜在有效性。然而，其抗癫痫疗效仍有提升空间，寻找最优刺激靶点是关键。以往研究多聚焦于丘脑、海马或皮层等灰质区域。本研究团队则另辟蹊径，将目光投向了大脑中最大的白质纤维束——胼胝体（Corpus Callosum, CC）。这一创新思路源于侵入性神经调控研究的启示：低频电刺激（LFS）胼胝体已被证明能有效减少癫痫模型动物的发作。白质作为神经纤维的汇集地，对其进行刺激有望同时影响多个相互连接的脑区，这对于致痫灶难以定位或癫痫放电迅速扩散的情况尤为有利。因此，本研究旨在探讨靶向胼胝体的tFUS是否能够作为一种有效的非侵入性方法，抑制皮质癫痫的发作。

本研究发表在《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》上。为了验证这一科学问题，研究人员开展了系统的实验。他们首先建立了稳定的急性癫痫模型，随后施加tFUS干预，并通过多模态电生理信号分析来评估其效果和潜在机制。

研究采用的主要技术方法包括：使用16只成年雄性Sprague-Dawley大鼠，通过向右侧体感皮层（S1）重复注射4-AP（4-aminopyridine）化学混合物诱导局灶性皮质癫痫。采用128阵元随机阵列换能器（中心频率1.5 MHz）对胼胝体进行tFUS，刺激参数经过优化。通过32通道脑电图（EEG）探头和64通道颅内电极阵列同步记录全脑及局部场电位（LFP）活动。利用诱发电位（EPs）进行刺激靶点确认。对记录的神经信号进行频谱分析（计算绝对功率）、半球间不对称性分析（Asymmetry Index, AI）以及功能连接性分析（Phase Lag Index, PLI），以评估tFUS对脑网络活动的影响。所有数据均采用双因素方差分析（two-way ANOVA）及事后检验进行统计学比较。

研究结果

A. 癫痫模型在长达4小时内保持稳定

研究人员成功建立了4-AP诱导的急性局灶性癫痫模型。通过对脑电信号中30-80 Hz频段功率的阈值检测，手动标记癫痫发作的起始和结束时间。分析表明，在长达约4小时的实验时间内，无论是相对于药物注射侧（同侧）还是对侧半球，癫痫发作的持续时间在不同时间点间和半球间均无显著差异。大多数癫痫发作持续时间短于2分钟，且两个半球的发作时长分布相似。癫痫发作次数在不同时间区块间也无显著差异，尽管在实验最后两小时有轻微下降趋势。值得注意的是，在实验的第五个小时（即第三个刺激后记录区块），对侧半球的癫痫发作时间百分比与假刺激组出现显著差异，提示模型稳定性可能开始下降。因此，为确保结果可靠性，后续分析将第三个刺激后区块排除在tFUS与假刺激组的比较之外。

B. 胼胝体tFUS在刺激期间及刺激后均能抑制癫痫发作

为量化tFUS的抗癫痫效果，研究人员比较了实验组（tFUS）和对照组（假刺激）的癫痫特征指标。结果显示，与基线期相比，tFUS组的癫痫发作次数在刺激期间及刺激后两个记录区块均呈现下降趋势。在同侧S1区，刺激期、刺激后1期和刺激后2期的发作次数分别减少了9%、36%和42%；在对侧S1区，减少幅度略高，分别为10%、41%和42。统计分析表明，tFUS组在两个半球均显示出基线期与刺激后1期、基线期与刺激后2期之间的发作次数显著减少。相比之下，假刺激组的发作次数在整个实验过程中保持稳定。tFUS组与假刺激组在刺激后1期（两个半球）以及刺激期（同侧S1）存在显著差异。

癫痫发作时间百分比是另一个关键指标。tFUS组在同侧和对侧S1区的该指标均显著降低：刺激期分别降低33%和35%，刺激后1期和2期均降低约55%。假刺激组虽有小幅下降，但与基线期无显著差异。组间比较显示，在刺激后1期（对侧S1）以及刺激期和刺激后1期（同侧S1），tFUS组与假刺激组存在显著差异。

对于发作间期，tFUS组在同侧S1区，刺激期、刺激后1期和2期分别延长了27%、49%和28%；在对侧S1区，则分别延长了30%、52%和31%。其中，仅对侧S1区在刺激后1期与基线期相比有显著延长。假刺激组的发作间期保持稳定。组间比较发现，在刺激后1期，两个半球的tFUS组发作间期均显著长于假刺激组。

关于癫痫发作持续时间，tFUS组和假刺激组均随时间呈现平稳下降趋势，但仅在tFUS组的两个半球，基线期与刺激后2期之间存在显著减少。

C. 胼胝体tFUS调控脑电活动

为了解tFUS如何影响大脑活动，研究人员分析了脑电功率谱密度（PSD）的变化。结果显示，在theta（5-8 Hz）、alpha（8-12 Hz）和gamma（30-80 Hz）频段，tFUS组和假刺激组的绝对功率比值均未发生显著变化。然而，在beta（12-30 Hz）频段，tFUS组的绝对功率比值在刺激期间和刺激后1期相较于基线期显著下降。假刺激组各频段功率比值在不同时间区块间无显著变化。

半球间不对称指数（AI）用于评估大脑活动的平衡性。将各时间区块的AI值相对于该组基线期AI进行标准化后，发现tFUS组在theta和alpha频段的标准化AI值相较于基线期显著增加。更重要的是，在theta、alpha、beta和gamma所有四个频段，tFUS组的标准化AI值与假刺激组之间均存在显著差异，表明tFUS干预改善了癫痫状态下受损的半球间平衡。

D. 胼胝体tFUS影响脑网络连接性

相位滞后指数（PLI）被用来量化大脑功能连接性，特别是半球间的同步性。研究人员进一步将脑电通道分为覆盖S1区和非S1区，以探究胼胝体tFUS的空间选择性效应。

首先，在野生型大鼠中，通过分析tFUS诱发的电位（EPs）期间的PLI变化，发现gamma频段的PLI在tFUS刺激期间（0-20 ms）和刺激后（20-200 ms）于大部分脑区均出现下降。而在假刺激组，gamma频段PLI则略有上升。平均而言，tFUS组在S1区和非S1区的gamma频段PLI相对于刺激前窗口均有所降低。对于theta、alpha和beta频段，PLI的下降主要局限于S1区 during tFUS刺激。

其次，在癫痫大鼠中，tFUS组S1区的PLI在theta、alpha、beta和gamma频段，于刺激期、刺激后1期和2期相较于基线期均呈现下降。相比之下，非S1区的PLI值并未因刺激而出现显著降低。这些结果表明，胼胝体tFUS具有空间选择性，能够特异性地降低与受刺激胼胝体纤维所支配的脑区（特别是癫痫起源区S1及其对侧镜像区）之间的功能连接。

结论与讨论

本研究首次将tFUS应用于白质靶点（胼胝体）进行癫痫治疗探索。结果表明，一小时的低强度胼胝体tFUS能够显著抑制4-AP诱导的大鼠皮质癫痫发作，具体表现为降低癫痫发作时间百分比、缩短发作持续时间、减少发作次数以及延长发作间期。尤为重要的是，这种抑制效应在刺激停止后仍能持续约2小时。电生理机制研究揭示，tFUS可能通过降低beta频段的绝对功率（提示减轻了病理性同步化）、改善半球间活动的不对称性（促进抑制性控制或再平衡兴奋/抑制活动），以及降低特定脑区（尤其是S1区）之间的功能连接（表现为PLI下降）来发挥其抗癫痫作用。胼胝体纤维具有拓扑组织特性，聚焦超声刺激可能选择性地激活了连接癫痫灶的相关纤维束，从而实现了相对特异性的网络调控。

与侵入性白质低频电刺激（LFS）相比，虽然tFUS在刺激期间的即时抑制效果稍逊（例如，侵入性LFS报道可降低65%-95%的发作时间，而tFUS为33-55%），但tFUS的优势在于其非侵入性，完全避免了手术风险，并且观察到了侵入性刺激在急性实验中未报道的持久后效应。这种后效应的机制可能与tFUS通过机械刺激轴突膜产生耦合电位的独特作用方式有关，不同于LFS可能介导的GABA_B抑制性突触后电位和慢后超极化。

本研究的局限性在于使用了急性癫痫模型，其自发衰减特性限制了对更长时程后效应的观察。未来研究可在慢性癫痫模型中进行验证，并进一步开展细致的体内外安全性评估。此外，探讨tFUS效果是否存在性别差异也是未来重要的研究方向。

总之，这项研究为药物难治性癫痫的非侵入性治疗开辟了一条新的途径。靶向胼胝体的经颅聚焦超声刺激展现出良好的应用前景，通过调控关键的白质通路，有望成为未来精准神经调控疗法的重要组成部分。