经颅聚焦超声刺激后脑网络的时空重构

《Neuromodulation: Technology at the Neural Interface》：Spatiotemporal Reconfiguration of Functional Brain Networks Following Transcranial Focused Ultrasound Stimulation

　　

Cyril Atkinson-Clement|Stefanos Alexandros Kontogouris|Marilyn Gatica|Mohammad Alkhawashki|Marcus Kaiser

英国普利茅斯大学健康学院脑研究与成像中心

摘要

研究目的

经颅聚焦超声刺激是一种新兴的神经调节技术，能够以高空间精度调控大脑皮层及皮层下区域的功能。然而，它对大规模功能脑网络及其时间演变的影响目前尚未被完全理解。本研究旨在探究短暂的θ波爆发型超声刺激是否会在刺激后一小时内引发目标特定区域的功能脑网络拓扑结构变化。

材料与方法

22名健康参与者被随机分配接受针对右下额叶皮层或右丘脑的超声刺激。在基线时刻以及刺激后每隔15分钟的两个时间点进行静息态功能磁共振成像检测。通过图论分析方法，对86个脑区的四种中心性指标（强度、预期影响力、介数中心性和接近度）进行了量化分析。同时利用小世界理论评估整体脑网络的结构特征。

研究结果

右下额叶皮层刺激会导致区域网络整合程度逐渐降低，最初影响视觉皮层，随后扩展到右前额叶和颞叶区域、岛叶以及壳核，最大效应出现在刺激后约45分钟。该刺激还会提升整体脑网络的小世界特性，表明网络结构趋向更加随机化。相比之下，丘脑刺激仅会导致左楔前叶的介数中心性出现局部且持续时间较长的下降，未引起广泛的网络结构变化。

结论

短暂的θ波爆发型超声刺激会引发大规模功能脑网络的结构变化，这些变化具有目标依赖性且会随时间演变。右下额叶皮层的刺激会导致网络结构出现分布式且逐步发展的重构，而丘脑刺激则会产生局部且稳定的效应。这些研究结果表明，超声刺激所引发的网络调控幅度和空间范围取决于被刺激结构的连接特性及其在网络中的拓扑位置。