非侵入性体内声电神经调控及其对超声刺激的贡献

《Nature Communications》：Non-invasive in vivo acoustoelectric neuromodulation and its contribution to ultrasound stimulation

　　

非侵入性脑刺激在无需手术的前提下具有治疗潜力，然而现有电刺激方法由于电场波长较长，缺乏空间精确性。该研究证实了声电神经调控（acoustoelectric neuromodulation），即外加声场与电场之间的一种非线性交互作用，可在超声焦点处产生空间局域化的低频电场。通过体外（in vitro）和体内（in vivo）小鼠电生理实验，研究人员表明，运动诱发反应同时依赖于声电场的幅度和频率，并且对照实验排除了纯声学来源或纯电学来源。体内测量显示，声电电位约为9 mV，对应于在500 kHz和1 MPa声压条件下估算的焦点电场约为~6 V/m；幻影实验进一步证明，其极值间距约为~1.5 mm。重要的是，研究还鉴定出传统超声刺激中的一种声电贡献，该贡献来源于超声诱发电信号与传播声波之间的相互作用，从而确立了声电神经调控是一种影响基于超声脑刺激的独特机制。

该论文发表于《Nature Communications》，围绕一种新的非侵入性脑刺激机制——声电神经调控（acoustoelectric neuromodulation）展开，核心目标是在保留超声高空间聚焦能力的同时，引入电场调控神经兴奋性的明确物理机制。当前非侵入性神经调控技术主要包括经颅磁刺激（transcranial magnetic stimulation, TMS）和经颅电刺激（transcranial electrical stimulation, TES），但这类方法受限于电场长波长及脑组织介电性质不均一，难以实现高精度空间定位。相比之下，经颅聚焦超声刺激（transcranial focused ultrasound stimulation, tFUS）具有更优的空间分辨能力，但其作用机制长期存在争议，涉及机械敏感离子通道、微管调节、热效应、空化、听觉旁路和声辐射力等多种解释。研究人员因此提出，若能利用声场与电场在离子介质中的声电效应（acoustoelectric effect），则有可能在超声焦点区域生成局部低频电场，以经典电生理机制驱动神经调控，从而兼顾可预测性、可控性与空间特异性。

声电效应本质上是声波作用下离子压缩与稀疏所导致的局部电导率波动；在外加电场存在时，这种电导率变化会在超声焦区诱发电压梯度。研究人员此前已证明该效应具有乘性混频（heterodyning）特征，可产生和频与差频分量，并被限制在声焦点内。本研究据此假设：若差频落在神经系统可响应的低频范围内，则可在空间聚焦条件下实现真正由电场介导的神经激活。此外，研究还注意到，驱动超声换能器的电压本身可通过电容耦合向周围离子介质传递电学伪迹，因此传统超声刺激中也可能存在声电混频成分，这一问题直接关系到超声神经调控机制的重新界定。

在技术方法上，研究人员主要采用了以下关键策略：其一，在0.9%生理盐水幻影体系中构建自由场与培养皿模型，对声电差频信号进行二维空间测绘和幅度标定；其二，在野生型C57BL/6J小鼠中植入铂铱记录电极，记录运动皮层内电信号，并同步记录前爪肌电图（electromyography, EMG）评估运动诱发反应；其三，通过设置“仅声场”“仅电场”“声+电场”三联对照，并采用F21电绝缘但声半透明材料、空气间隙断声实验、温度监测及硬件非线性排查，逐步区分真实声电调控与热效应、电伪迹、纯电混频等可能来源。样本主要来源于3–6月龄野生型C57BL/6J小鼠，体内实验按不同分析模块分别纳入3只、6只、7只或9只小鼠。

在结果部分，论文首先以“Acoustoelectric amplitude characterisation”为题，系统刻画了声电信号的空间分布与频率特征。研究人员在盐水槽中利用500 kHz聚焦超声和外加电场生成差频信号，并通过0.5 mm步进扫描发现，无论在横向平面还是轴向平面，声电场均与声焦区位置一致，证明该效应具有明确的空间局域性。随后在模拟小鼠头部体积的培养皿幻影中，研究人员测量低频范围内不同差频对应的声电电压，发现随着差频Δf减小，声电幅度上升。进一步在体内小鼠运动皮层测得相同趋势：Δf=1 Hz时的声电幅度高于Δf=4 Hz。这一结果表明，较小差频更有利于形成可用于神经调控的有效低频电场。

在“In vivo acoustoelectric DC neuromodulation”部分，研究人员考察了当声场与电场频率相同、即Δf=0 Hz时的直流（DC）声电神经调控效应。通过9只小鼠、共28组三联实验，研究显示，当500 kHz超声与500 kHz双极电刺激同时施加时，脑内可记录到明显高于单独声刺激、单独电刺激及无刺激对照的DC电位；同时，前爪EMG反应也显著增强。统计分析表明，这种增强并不依赖刺激顺序，提示结果不由麻醉深度漂移造成。研究人员据此认为，当声场与电场同频时，声电作用能够在脑内产生足够强的DC低频电场，以驱动神经活动变化。

在“In vivo acoustoelectric AC neuromodulation”部分，研究进一步测试了交流（AC）声电神经调控，即将超声频率设为500 kHz、电场频率设为500.001 kHz，从而形成Δf=1 Hz的差频刺激。结果显示，仅在声场与电场同时存在时，脑内信号和EMG包络中才出现1 Hz成分；单独声刺激或单独电刺激均不产生这一差频响应。谱分析表明，声电刺激条件下1 Hz脑内电位幅度和EMG幅度均显著高于对照条件。进一步筛除受DC偏移干扰较大的记录后，研究人员仍观察到1 Hz差频在脑信号与肌电中保持清晰峰值，且显著区别于Δf=0 Hz条件。该部分结果说明，神经诱发反应的频率成分由脑内声电生成的差频电场决定，而非由单独的超声或电刺激决定。

在“Acoustoelectric artefact tests”部分，研究人员针对潜在伪迹来源进行了系统检验。首先，通过Δf=0.5 Hz条件下的连续刺激配合温度探针监测发现，虽然连续1 MPa超声可导致约1.5 °C升温，但声电刺激与单纯压力刺激之间的温升曲线几乎完全一致，且两组无显著差异，因此温度变化不足以解释声电神经调控。其次，在盐水培养皿中加入F21材料可显著削弱换能器驱动产生的电学伪迹，但并不改变独立外加电场与声场形成的声电差频幅度，说明测得的差频信号并非由换能器电伪迹与外加电场直接电混频造成。再次，研究人员还对记录链路和刺激生成链路进行了非线性测试，未发现硬件本身产生差频分量的证据。由此，声电信号被证明具有真实物理来源，而非记录系统伪迹。

在“In vivo transcranial ultrasound stimulation is impacted by the electrical artefact powering the transducer”部分，论文转向分析传统超声刺激中由换能器供电电伪迹带来的声电贡献。研究人员发现，在小鼠脑内，超声载频对应的电信号可因F21电绝缘层插入而减弱，而将换能器与地隔离则会显著增强该电信号，提示换能器供电过程会像电天线一样向邻近离子介质电容耦合输送电能。盐水幻影实验进一步显示，这种由换能器驱动产生的电伪迹可与传播声场发生声电混频，产生局灶性的和频与差频成分。体内脉冲超声实验中，在匹配声压条件下，F21削弱了载频电伪迹，同时也显著减小脑内低频响应和EMG幅度，表明常规超声刺激诱发反应中存在显著的声电成分贡献。

在“In vivo ultrasound stimulation is not due to electric field only mixing”部分，研究人员进一步设计空气间隙断声实验，以排除“仅由电场混频导致刺激”的解释。实验中保留换能器与脑之间的导电凝胶连接，从而保留电伪迹传递，但通过空气间隙阻断声波传播。结果显示，在这种仅保留电连接、去除声连接的条件下，虽然脑内仍可记录到一定载频电成分，但不再出现DC脑信号偏移，也完全不诱发EMG反应；而声学连接完整时则可见明显脑信号与运动反应。该结果说明，超声诱发刺激效应并不能由纯电场或电化学混频解释，而必须依赖传播声场与电场共同存在所产生的声电交互。

讨论部分集中阐明了该研究的理论价值与方法学意义。研究人员指出，非侵入性电刺激若要实现临床转化，需要在靶向性、可控性与安全性之间取得平衡；而声电神经调控正是通过聚焦超声场与外加电场的非线性交互，在焦点位置生成差频电场，从而实现一种兼具电生理可解释性与超声空间精度的新型脑刺激策略。依据体内测得约9 mV的峰值声电电位及幻影实验中约1.5 mm的极值间距，研究估算焦点低频电场量级约为~6 V/m，对应感应电流密度约为1–4 A/m²，达到具有生理意义的水平。研究还强调，反应对差频幅度和频率的依赖性，不支持单纯压力机制作为主要解释；同样，纯电混频、热效应、空化、听觉通路或记录电极振动也不足以解释全部现象。更重要的是，常规超声脑刺激过程中，换能器供电所产生的电伪迹与传播声场之间的声电作用，可能构成超声神经调控的重要组成部分，因此未来研究必须更加严格地区分声学与电学贡献。

研究结论部分可译为：研究结果证明，声电混频能够直接诱发神经调控，并且构成超声诱导脑刺激的关键机制。通过阐明声场与电场在神经组织内如何相互作用，该研究推动了对脑活动进行空间精确、非侵入性调控技术的发展。