微泡增强时域干涉经颅聚焦超声对小鼠运动皮层的无创神经调控研究

本研究针对经颅聚焦超声(tFUS)神经调控中颅骨屏障导致的刺激效率低下问题，开发了时域干涉(TI)超声结合微泡(MBs)的创新方法。通过建立Gilmore-Akulichev-Zener(GAZ)模型数值模拟微泡动力学，并结合电生理记录和免疫组化实验，证实TI超声能产生更高的散射压力，显著提高运动反应成功率(0.81±0.06 vs 0.65±0.12)。该研究为增强中枢神经系统(CNS)神经活动提供了高特异性方法，发表于《Ultrasonics Sonochemistry》。

　　

在神经科学和神经工程领域，非侵入性地精准调控大脑特定区域一直是研究人员追求的目标。经颅聚焦超声(transcranial focused ultrasound, tFUS)作为一种新兴的神经调控技术，集三大特点于一身：无创能量传递、亚毫米级空间精度以及有效穿透颅骨屏障到达皮层下结构。然而，颅骨对超声波的衰减和散射显著降低了tFUS的刺激效率，这成为当前研究和临床应用面临的重要挑战。

微泡(microbubbles, MBs)作为超声造影剂，在超声激励下能够通过机械力作用放大邻近组织的刺激效果。先前研究表明，时域干涉(temporal interference, TI)超声激励能有效降低空化阈值，但关于其在神经调控中的应用研究甚少。压力波作为超声调控中枢神经系统的基础，TI超声通过增加振荡微泡产生的分散压力，有望成为提高tFUS神经调控效率的有效途径。

在这项发表于《Ultrasonics Sonochemistry》的研究中，北京理工大学的研究团队开发了一种结合时域干涉超声和微泡的创新方法，用于增强对小鼠运动皮层的神经调控效果。研究人员通过建立Gilmore-Akulichev-Zener(GAZ)模型与非线性脂质膜动力学相结合的混合模型，数值模拟微泡动力学，计算微泡对神经元施加的散射压力。实验方面，研究团队使用雄性ICR小鼠模型，通过尾静脉注射SonoVue?微泡，采用1MHz聚焦超声 transducer 刺激小鼠右侧运动皮层，同时通过肌电图(electromyography, EMG)记录分析时域干涉超声和单频超声刺激对小鼠对侧肢体运动的影响。

研究主要采用了以下几个关键技术方法：一是建立GAZ模型数值模拟微泡动力学行为，二是使用1MHz聚焦超声 transducer 进行单频和双频(1+0.8MHz)刺激，三是通过EMG记录分析运动反应成功率，四是采用免疫组化染色(H&E染色)评估超声刺激的安全性，五是使用水听器进行声场表征和 transducer 校准。

4.1. Ultrasound evokes motor responses

研究发现，在无微泡情况下，单频和TI超声在P₀=0.33MPa时均能诱发小鼠运动反应，且刺激成功率随声压增加而提高，但两者间无显著差异。加入微泡后，运动反应可在P₀≥0.17MPa时被诱发，而单独使用超声需要P₀≥0.33MPa。在P₀=0.25MPa时，TI超声诱发运动反应的成功率(0.81±0.06)显著高于单频超声(0.65±0.12)，表明TI超声结合微泡能更有效地增强神经活动。

4.2. Numerical simulations

数值模拟结果显示，TI超声能引起微泡更大的振荡幅度和更高的散射压力。在P₀=0.25MPa时，TI超声产生的最大半径比(R_max/R₀)达到2.57，最小半径比(R_min/R₀)为0.61，而单频超声分别为1.74和0.77。在λ/4距离处，TI超声产生的峰值正散射压力和负散射压力分别为1031.15Pa和546.54Pa，远高于单频超声的181.34Pa和153.87Pa。TI超声还能引发更宽的频率响应范围，产生更多谐波和超谐波。

4.3. Safety of ultrasound stimulation

H&E染色结果显示，低声压tFUS结合微泡不会造成组织损伤，证实了该 procedures 的安全性。

研究结论表明，时域干涉超声首次被证明能够激活M1区并诱发运动反应。通过数值模拟和实验研究，证实TI超声比单频超声更能有效增强微泡振荡，从而提高超声诱发运动反应的成功率。这种结合方法通过产生更高的散射压力增强神经活动，为实现高特异性tFUS刺激提供了新途径。

该研究的重要意义在于开发了一种创新的超声神经调控策略，通过时域干涉技术和微泡的协同作用，有效解决了经颅超声刺激效率低下的问题。建立的GAZ模型为理解微泡在组织中的动力学行为提供了理论框架，而实验验证则为未来临床应用奠定了基础。这种无创、高效的神经调控方法不仅为基础神经科学研究提供了新工具，也为神经系统疾病的治疗提供了潜在的新策略，如帕金森病、抑郁症等神经精神疾病的非侵入性治疗。研究结果发表于《Ultrasonics Sonochemistry》，突出了该方法在超声化学和神经工程领域的交叉创新价值。