高精度经颅超声系统实现人类深部脑回路精准神经调控

本研究针对现有深部脑神经调控技术存在的侵入性风险或空间分辨率不足等问题，开发了配备256元件头盔式换能器阵列的先进经颅超声刺激(TUS)系统。通过个性化治疗规划和实时fMRI监测，首次实现对丘脑外侧膝状体核(LGN)的精准靶向调控，证实其可特异性增强视觉皮层活动并诱导长达40分钟的θ爆发刺激后效应，为研究脑功能机制和神经系统疾病治疗提供了非侵入性新工具。

　　

在探索大脑奥秘的征程中，深部脑结构的精准调控始终是神经科学领域的圣杯。基底节和丘脑核团作为调控人类行为的关键枢纽，其功能异常与多种神经精神疾病密切相关。虽然深部脑刺激(DBS)技术已展现出革命性治疗效果，但植入电极的创伤性限制了其广泛应用；而经颅磁刺激(TMS)和经颅直流电刺激(tDCS)等非侵入技术又难以穿透颅骨抵达深部靶点。这种"非侵入性与精准性不可兼得"的困境，促使科学家们将目光投向具有深层穿透能力的超声技术。

传统经颅超声刺激(TUS)系统受限于小型换能器的孔径，存在空间分辨率与穿透深度相互制约的固有矛盾——低频超声穿透性强但聚焦性差，高频超声则反之。更棘手的是，现有临床级磁共振引导聚焦超声(MRgFUS)系统需要借助神经外科框架固定，通过组织加热确认靶点，完全不适用于健康人群的可逆性神经调控研究。这些技术瓶颈使得科学家们至今无法在活体人脑中精确调控单个丘脑核团的功能。

这项发表于《Nature Communications》的研究带来了破局之道。由Eleanor Martin、Morgan Roberts和Ioana F. Grigoras等组成的跨国团队，开发出全球首个能精准靶向人类深部脑区的经颅超声系统。该系统集成了四大创新：256元件半球形稀疏阵列换能器(工作频率555kHz)、个性化立体定位面颈固定装置、基于全波声学模型的治疗规划系统，以及与功能磁共振(fMRI)实时联用的监测方案。研究人员选择视觉通路中的外侧膝状体核(LGN)作为概念验证靶点，通过两组严格设计的实验，证实了该系统可精确调控特定深部脑回路及其功能连接网络。

关键技术方法包括：1)采用半椭球头盔设计优化声场分布，实测-3dB焦点体积仅3mm³；2)基于个体CT数据的k-Plan治疗规划系统，预测靶点压力775kPa时机械指数(MI_TC)<1.9；3)视觉棋盘任务fMRI范式监测LGN-V1通路功能连接；4)θ爆发刺激(TBS)方案(5Hz，20ms脉冲持续80秒)诱导长时程可塑性；5)7名健康受试者采用密集采样设计，通过主动对照(靶向内侧背侧核MDN)验证特异性。

超声系统实现深部脑结构的精确调制

模拟计算显示该系统在头盔几何中心处可实现1.3mm横向和3.4mm轴向的-3dB焦点尺寸，且在整个16cm转向范围内保持稳定。个性化3D打印面颈固定装置使靶点定位误差控制在1.50±0.70mm，实验期间头部移动仅0.25±0.001mm。头骨实验验证显示实测焦点位置与计划偏差<0.9mm，-3dB焦点尺寸(x,y,z)=(1.3,1.5,3.1)mm，证实了治疗规划的可靠性。

TUS显著增强靶点参与并产生持久网络效应

在线刺激实验中，300ms脉冲(每3秒重复)靶向LGN时，相比伪刺激，所有受试者同侧初级视觉皮层(V1)任务相关活动显著增强(z=3.1,p<0.05)。这种调控具有严格的空间特异性：当靶点改为距LGN平均23mm的MDN时，V1活动无显著变化。个体间分析显示效应区域高度一致，证实了技术的可重复性。

θ爆发TUS产生长效神经调控效应

离线刺激实验采用θ节律模式(5Hz，20ms脉冲持续80秒)后，早期扫描(刺激后20-40分钟)显示靶向LGN使V1活动显著降低，而晚期扫描(约140分钟后)效应消失。这种双向调控效应——在线兴奋与离线抑制——与动物研究中观察到的超声诱导突触可塑性变化相吻合，提示可能存在NMDAR依赖的长时程抑制机制。

讨论与展望

这项研究突破了深部脑神经调控的技术瓶颈，其3mm³的焦点体积比传统超声设备小30倍，首次实现对人类丘脑核团的亚结构特异性调控。从基础研究角度看，该系统为验证深部脑区的因果功能提供了新工具，有望将动物模型中的发现转化为人类认知机制研究；临床转化方面，可替代DBS术前的"探针测试"，通过非侵入性筛选最佳治疗靶点，甚至发展为独立治疗手段。值得注意的是，超声频率选择(555kHz)在穿透深度与空间分辨率间取得了平衡，但针对不同深度靶点(如基底节或下丘脑)可能需要优化阵列几何参数。未来研究需进一步阐明超声调控的分子机制，包括机械敏感离子通道(如Piezo1)的激活阈值、神经元亚型特异性响应等关键问题。随着超声神经调控技术的不断完善，人类终将揭开意识、认知等高级脑功能的神秘面纱，并为帕金森病、抑郁症等顽疾带来全新治疗希望。