心脏聚焦超声对心率的异氟烷依赖性调节

《Ultrasound in Medicine & Biology》：Isoflurane-Dependent Heart Rate Modulation by Cardiac Focused Ultrasound

　　

摘要

目的

聚焦超声（FUS）是一种新兴的非侵入性神经调控技术，但由于多种因素的影响——包括受试者生理状态、定位准确性、FUS 曝光条件和麻醉状态——其效果在不同研究之间存在差异。本研究探讨异氟烷诱导的麻醉深度是否调控心脏聚焦超声（cFUS）处理下小鼠的心率（HR）反应。

方法

通过水听器测量和数值模拟对 FUS 换能器的声场特性进行了表征。在 1% 或 2% 异氟烷麻醉条件下，对成年 C57BL/6 小鼠施以经胸壁 cFUS，并持续记录心电图（ECG）。在声学参数实验中，cFUS 以 1.5 MHz 频率输出，峰值负压（PNP）为 1.0–3.0 MPa，脉冲重复频率（PRF）为 100–1000 Hz，占空比（DC）为 3%–20%。

结果

cFUS 换能器产生了清晰定义的聚焦区域，小鼠肋骨对焦准的影响极小。在 1% 异氟烷条件下，cFUS 降低了心率；而在相同声学参数下，2% 异氟烷条件则升高了心率。改变 PRF（100、500 和 1000 Hz）、PNP（3、2.5 和 1 MPa）和 DC（20%、10% 和 3%）会改变心率反应的幅度，但不会改变其方向性。心率变异性分析表明，异氟烷诱导的麻醉深度所致的自主神经状态变化可能是心率反应方向不同的原因。

结论

在测试条件下，cFUS 诱导的心率反应方向性反转取决于异氟烷诱导的麻醉深度，而声学参数主要影响反应幅度。这些发现强调了在 cFUS 研究中控制和报告麻醉状态的必要性。

引言

聚焦超声（FUS）作为一种有前景的非侵入性神经调控技术，近年来在医学和神经科学领域引起了广泛关注 [[1], [2], [3], [4]]。由于其固有的深组织穿透能力和高时空精度，FUS 能够有效调控中枢 [5,6]、周围 [[7], [8], [9]] 和自主神经系统（ANS）[10,11]。值得注意的是，此前的研究表明，非聚焦经胸壁超声可对心率（HR）产生正向或负向的时相性效应 [[12], [13], [14]]。尽管这些研究主要关注声学时序和刺激参数，但麻醉深度也是神经调控中的重要因素，因为它可以改变神经兴奋性和自主神经基线 [[15], [16], [17]]。因此，本研究探讨了异氟烷诱导的麻醉深度是否调控心脏聚焦超声（cFUS）引起的心率反应。此外，我们近期的研究表明，在 2% 异氟烷条件下施以 FUS 可显著升高心率，提示其具有缓解心动过缓的潜力 [18]。因此，本研究进一步探讨异氟烷诱导的麻醉深度是否调控 cFUS 诱导的心率反应。

在塑造神经状态的诸多因素中，异氟烷在神经调控实验中尤为重要，因为它同时影响中枢和外周神经活动 [19,20]。通过改变神经回路兴奋性和网络动力学，异氟烷可以显著修改神经调控刺激的反应 [19,[21], [22], [23]]。此外，异氟烷通过作用于离子通道和神经递质系统影响神经状态 [24,25]，而不同的异氟烷诱导的麻醉深度可进一步重塑基线生理条件，从而改变对相同外部刺激的生理反应 [26,27]。这种依赖于异氟烷诱导的麻醉深度的效应已在多种神经调控范式中被观察到，包括功能连接、神经元兴奋性和脑电图反应 [21,28,29]。这一问题在心脏神经调控中尤为相关，因为异氟烷诱导的麻醉深度还会以剂量依赖的方式直接影响心率和自主神经张力 [23,[28], [29], [30]]。综合这些发现，异氟烷诱导的麻醉深度可能是影响 cFUS 诱导心率调控的重要因素。

本研究旨在探究异氟烷诱导的麻醉深度是否影响 cFUS 诱导心率调控的结果 [31,32]。经胸壁 FUS 模拟表明，小鼠肋骨导致焦点处压力衰减 16.7%，但未损害聚焦完整性，支持了将 cFUS 递送至心脏靶区域的可行性。在成年 C57BL/6 小鼠中，相同的 cFUS 参数产生了双向心率反应：在 1% 异氟烷下表现为负向时相效应，在 2% 异氟烷下表现为正向时相效应。心率变异性（HRV）分析进一步表明，cFUS 诱导的迷走神经相关自主神经调控在 1% 和 2% 异氟烷之间存在差异，与两种麻醉条件下观察到的相反心率反应一致。值得注意的是，这种依赖于异氟烷诱导的麻醉深度的方向性反转让位于峰值负压（PNP）、脉冲重复频率（PRF）和占空比（DC）的变化之后仍然存在，而这些参数主要通过机械效应和轻度热效应改变心率调控的幅度。我们的结果表明，异氟烷诱导的麻醉深度决定 cFUS 诱导时相反应的方向，而声学参数主要调控其幅度。

章节摘要

动物

所有动物实验操作均遵循美国国立卫生研究院（NIH）的指南和 3Rs 原则。动物实验已获上海科技大学机构动物护理和使用委员会（IACUC）批准（编号：20240414001）。本研究使用成年雄性 C57BL/6 小鼠（8–10 周龄，24–26 g；集慧，上海，中国）。所有小鼠在 25°C 环境下，遵循 12 h 光暗周期饲养。

用于心率调控的 FUS 系统

本研究采用一套已建立的 FUS 系统对小鼠进行心率调控，如图 所示。

经胸壁 cFUS 以有限的肋骨衰减到达心脏并实现聚焦能量沉积

在脱气水中，通过水听器对 cFUS 换能器的声场进行了表征（图 1a）。所测压力场呈现出清晰定义的聚焦（图 1b）。轴向和横向半最大全宽（FWHM）分别为 4.905 mm 和 0.874 mm（图 1c）。建立了轴对称数值模型以复现实验条件（图 1d）。模拟的声压场与实验测量结果高度吻合，证明了

讨论

麻醉是决定神经调控结果的关键因素，深刻影响神经功能状态 [36,48]。在本研究中，我们发现 cFUS 诱导的心率反应方向与在测试曝光条件下异氟烷麻醉深度相关。在固定声学参数下，cFUS 在 1% 异氟烷条件下降低心率，而在 2% 异氟烷条件下升高心率。这种方向性反转在 PRF、PNP 和 DC 的变化中持续存在，而这些声学参数

结论

在测试条件下，异氟烷诱导的麻醉深度调控 cFUS 引起的心率反应方向，而声学参数影响心率调控的幅度。因此，相同的 cFUS 刺激可能根据特定的生理状态引发显著不同甚至相反的生理反应。这些结果强调了在神经调控研究中考虑生理状态依赖性的重要性，并支持发展更具

致谢

本工作部分获得上海探索者计划（基础研究资助，25TS1405800）、国家自然科学基金（12504539、82201459）、上海市自然科学基金（23ZR1442000）以及上海科技大学启动基金（2021F0209-000-09）的资助。模拟工作由上海科技大学高性能计算平台支持。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。

Yan Wei | Xiangkun Piao | Zhouyang Xu | Jia-Ji Pan | Bingbing Cheng

上海科技大学生物医学工程学院 TRUTH 实验室，上海，中国