通过经颅超声刺激小鼠基底前脑来调节快速眼动睡眠剥夺的状态

《Ultrasonics》：Modulation of rapid eye movement sleep deprivation via transcranial ultrasound stimulation of the basal forebrain in mice

　　

摘要

本研究提出了一种非侵入性经颅超声刺激（TUS）策略，用于缓解睡眠不足。实验中，小鼠被剥夺了20小时的睡眠，并在7天内每天接受10分钟的基底前脑区域超声刺激。通过脑电图（EEG）分析评估睡眠结构，使用开放场地测试和Y型迷宫实验评估类似焦虑的行为和认知表现。通过Nissl染色和HE染色检查海马体神经元的完整性，通过ELISA检测血清皮质醇水平，同时利用c-Fos免疫荧光分析基底前脑的胆碱能活性。与睡眠剥夺组相比，TUS显著增加了快速眼动（REM）睡眠时间（14.97±1.05% vs 10.86±1.11%，P<0.05），非快速眼动相关的δ波功率增加到正常对照水平的130.77%（P<0.0001），REM相关的θ波功率也得到增强（P<0.05）。TUS还改善了认知表现，Y型迷宫中的转换率从睡眠剥夺组的50.05±1.59%提高到61.42±1.31%（P<0.001）。组织学分析显示TUS具有显著的神经保护作用，显著恢复了海马体角1区和齿状回的神经元数量。此外，血清皮质醇水平趋于正常值（P<0.05），同时c-Fos表达增加，表明基底前脑的神经活动增强，可能存在胆碱能参与。这些发现表明，TUS为睡眠剥夺小鼠模型提供了一种新型的非药物治疗方法。

引言

睡眠对维持身体健康和心理健康至关重要，在生物钟调节中起着重要作用。它对于生理恢复、再生和免疫系统调节至关重要[1]，[2]。睡眠不足可能导致多种健康问题，如焦虑、认知能力下降、免疫功能减弱和抑郁[3]，[4]，[5]。导致睡眠不足的因素包括轮班工作、压力和电子设备的使用。在实验研究中，睡眠剥夺常被用来模拟睡眠不足的情况，而药物治疗通常用于失眠患者[6]。然而，长期使用安眠药可能会引发各种副作用，如头晕、胃肠道问题、持续嗜睡以及记忆和认知问题[7]。光疗作为一种非药物干预方法，可以通过调整光线强度、持续时间和光谱组成来改善睡眠[8]。研究表明，光疗能有效调节生物钟，从而改善睡眠质量。但光疗也可能引起头痛和眼睛疲劳等副作用，且其实施过程耗时，限制了其广泛的临床应用[9]。因此，迫切需要寻找更安全和有效的物理治疗方法。

研究表明，睡眠和清醒状态由脑干、下丘脑、基底前脑（BF）和丘脑等脑区调节，这些脑区通过兴奋性或抑制性神经递质来调节睡眠-清醒周期[10]。探索针对睡眠调节机制的替代神经调节方法变得越来越重要。近年来，非侵入性物理刺激方法在医学领域取得了显著进展，因其安全性和有效性而在改善睡眠和治疗神经系统及精神疾病方面显示出巨大潜力。目前，经颅磁刺激（TMS）和经颅电刺激（TES）是常见的非侵入性治疗方法，它们通过外部磁场或微电流调节神经活动和生理代谢，从而调节睡眠-清醒过程[11]，[12]。然而，这些疗法的效果主要局限于大脑皮层的表层，因为TMS和TES使用的磁场和电流的穿透深度和空间精度有限。相比之下，TUS具有更好的穿透能力和高时空分辨率，能够选择性地调节这些深层脑区。鉴于这些优势，TUS作为一种精确、高效且安全的非侵入性神经调节方法前景广阔[13]。

TUS已在动物模型中广泛应用，以调节特定脑区的神经活动并研究其潜在的临床应用[14]，[15]。迄今为止，研究表明TUS可以可逆地调节神经活动，并已在小鼠、大鼠、兔子和羊等动物模型的运动皮层、海马体和丘脑中得到广泛研究[16]，[17]，[18]。与此同时，关于TUS的研究正逐渐从实验室和临床前研究转向临床应用。2016年发表了第一项TUS的临床应用研究，后续研究将其应用于多种临床疾病，包括意识障碍、抑郁症以及其他几种神经系统和精神疾病[19]，[20]，[21]。近年来，关于超声波治疗各种疾病的研究数量激增，该领域正在快速发展并持续进行临床探索。基于这些有希望的发现，本研究提出假设：针对基底前脑的TUS可以改善睡眠剥夺状况。

目前，TUS在小鼠睡眠调节方面显示出良好的应用前景。研究表明，TUS对海马体和运动皮层的干预能够有效调节快速眼动（REM）和非快速眼动（NREM）睡眠，其调节效果取决于小鼠的睡眠状态。此外，TUS还改善了睡眠剥夺的小鼠的阿尔茨海默病患者的睡眠质量，显示出其在治疗神经退行性疾病方面的潜在价值[22]。同年，研究团队采用闭环超声刺激针对小鼠的海马体，发现不同睡眠状态下超声对神经活动的调节取决于海马体中的慢振荡和θ波的刺激阶段[23]。以往的TUS研究主要集中在海马体或皮层刺激上，这些主要与记忆巩固和振荡调节等认知功能相关。相比之下，基底前脑（BF）在睡眠-清醒调节中起直接作用，然而针对睡眠剥夺的BF靶向TUS的治疗潜力和作用机制仍大部分未得到探索。

本研究利用睡眠剥夺小鼠模型探索了TUS缓解睡眠不足的潜力。小鼠连续7天每天被剥夺20小时睡眠，并接受基底前脑的超声刺激。通过脑电图（EEG）监测睡眠质量，通过Y型迷宫和开放场地测试评估认知和焦虑相关行为，利用Nissl和苏木精-伊红（HE）染色技术分析脑组织损伤，通过ELISA检测激素变化，并通过c-Fos免疫荧光评估神经元活性。通过针对这一关键区域，本研究旨在为睡眠调节的科学研究和临床应用奠定非药物、非侵入性、精确且有效的治疗策略的基础。

节选内容

实验动物和分组设计

本研究使用了7-9周大的成年C57BL/6N雄性小鼠，随机分为四组（每组8只）：NC（正常对照）、SD（睡眠剥夺）、SH（假处理）和US（超声刺激）。实验设计分为两个阶段。初步的睡眠质量评估阶段包括NC、SD和US组，以验证TUS的效果；随后的机制和行为分析加入了SH组，以分离超声的特定效应和程序混淆因素。

TUS对睡眠剥夺小鼠睡眠结构重塑和EEG谱型的影响

如图2(a)、(c)和(d)所示，各组之间的TST没有显著差异（P=0.1355），但在睡眠结构和EEG谱型特征方面出现了明显变化。具体来说，SD组的REM睡眠比例（10.86±0.81%）显著低于NC组（15.42±1.11%）和US组（14.97±1.05%）（F=6.337，P<0.05），US组和NC组之间没有统计学差异（P=0.9463）。EEG时频分析显示...

讨论

本研究在睡眠剥夺小鼠模型中研究了针对基底前脑的TUS，发现TUS通过增加REM睡眠百分比、增强NREM睡眠期间的δ波功率和REM睡眠期间的θ波幅度显著改善了睡眠结构，缓解了类似焦虑的行为和空间记忆障碍，同时还观察到海马体神经元完整性的变化、血清皮质醇水平的变化以及基底前脑神经元活性的增强。这些发现...

结论

本研究在睡眠剥夺小鼠模型中使用了针对基底前脑的TUS，发现TUS不仅通过调节睡眠结构和EEG谱型改善了睡眠质量，还缓解了类似焦虑的行为、认知障碍和海马体神经元损伤，强调了TUS作为一种新型的非药物、非侵入性和精确方法的潜在治疗潜力，可用于缓解睡眠剥夺。

作者贡献声明

吴悦：撰写——原始稿件、验证、方法学、数据管理。王海清：撰写——审阅与编辑、撰写——原始稿件、项目管理。王梦珂：撰写——审阅与编辑、监督。任鹏宇：项目管理、正式分析。张思源：撰写——审阅与编辑、监督、概念构思。

[25]。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究部分得到了国家重点研发计划（编号：2024YFC2511100）、陕西省创新能力支持计划（编号：2025RS-CXTD-060）和四川省科技计划（编号：2026NSFSC0515、2025ZNSFSC0640）的支持。

吴悦|王海清|王梦珂|任鹏宇|张思源

中国西安交通大学生命科学技术学院生物医学工程系，教育部生物医学信息工程重点实验室，西安710049