无创声学迷走神经刺激调节情绪相关脑网络

《Ultrasonics》：Noninvasive acoustic vagus nerve stimulation modulates Emotion-Related brain networks

　　

摘要

迷走神经是连接中枢神经系统与外周器官系统的关键双向通路，在情绪调节中发挥着核心作用。本文提出了一种无创声学迷走神经刺激（aVNS）方案，并结合活体光纤光度测量、行为学测试和转录组学分析，系统表征了其对情绪相关脑环路的影响。脉冲式aVNS方案参数设定如下：基频=1 MHz，声辐射持续时间=1 s，刺激间隔=9 s，脉冲重复频率=100 Hz，声脉冲持续时间=0.5 ms，占空比=5%，声压=3 MPa。声场映射证实超声束具有空间限定性，可支持对颈部迷走神经区域的局部刺激。活体钙成像显示，aVNS在多个情绪相关脑区域诱发了显著的神经反应，其中内侧前额叶皮层（mPFC）的反应幅度最强，表现为刺激期间（0–1 s，p=0.0156）和刺激后期间（1–10 s，p=0.0156）曲线下面积值显著增加。反应模式和区域间相似性分析进一步表明，aVNS将分布式的神经反应组织为协调的网络层面激活模式，而非诱导孤立的区域兴奋。在行为学方面，aVNS减轻了急性脂多糖（0.5 mg/kg）处理小鼠的焦虑样和抑郁样行为，表现为高架十字迷宫（EPM）中开放臂探索时间增加（p=0.0018）和尾部悬挂实验（TST）中不动时间减少（p=0.0045），同时也减轻了慢性束缚应激小鼠（每天6小时，连续28天）的类似症状，表现为开放臂探索时间增加（p=0.0167）和不动时间减少（p=0.0057）。批量RNA测序进一步显示，反复aVNS部分逆转了应激诱导的mPFC转录改变，尤其是炎症相关特征。综上所述，这些发现表明无创aVNS可以调节情绪相关脑网络，并为干预情绪功能障碍提供了神经、行为学和分子层面的证据。

引言

目前，许多神经系统和精神疾病被认识到涉及网络层面的异常，而非局限于孤立脑区域的缺陷[1]、[2]、[3]。这种网络视角尤其适用于情绪障碍，其中适应不良的应激反应、情感调节障碍和行为异常源于皮层、边缘系统、海马和脑干环路之间相互作用的破坏[4]、[5]。这些脑网络并非与身体隔离，而是持续受到内脏、自主神经和免疫相关信号的影响[6]、[7]。迷走神经（VN）是身体来源信号到达中枢神经系统并影响广泛参与情感调节和内稳态调节的脑区域的重要外周途径[8]、[9]。这些解剖和功能特性使迷走神经成为调节脑网络功能障碍的战略外周靶点。

电迷走神经刺激（eVNS）已提供了有力的临床和实验证据，表明外周迷走神经激活可以调节中枢脑活动并产生治疗获益[10]、[11]、[12]、[13]。在情绪障碍中，不断积累的证据表明，eVNS可以通过调节广泛参与情感调节的脑网络来缓解抑郁和焦虑相关症状[4]、[14]、[15]。然而，传统eVNS依赖手术植入的电极和脉冲发生器，因其侵入性、成本和刺激相关不良反应而限制了更广泛的应用[11]、[16]。这些局限性凸显了开发无创、精确靶向且兼容重复神经调控的迷走神经刺激策略的迫切需求。

超声作为一种新兴的神经调控模态，以其无创刺激和高时空精度在调控中枢神经系统（CNS）活动方面展现出巨大潜力[17]、[18]、[19]。它已被探索作为多种神经和精神疾病的治疗手段，包括阿尔茨海默病[20]、[21]、[22]、癫痫[23]、[24]、帕金森病[25]、[26]、[27]、[28]和抑郁症[29]、[30]、[31]、[32]。此外，超声还可以靶向迷走神经以调节炎症反射和葡萄糖稳态等生理功能[33]、[34]。鉴于迷走神经与中枢神经系统之间广泛的解剖和功能连接[7]，声学迷走神经刺激（aVNS）可能提供一种无创策略来激活迷走神经介导的外周至中枢通路。与此一致，我们此前的工作表明，靶向迷走神经的超声刺激可以调节癫痫相关环路中的神经兴奋性[35]。然而，无创aVNS能否组织情绪相关脑网络中的协调反应，目前仍知之甚少。

在本研究中，我们建立了一个无创aVNS平台，并研究了其调节情绪相关脑网络的能力。我们首先表征了声场和刺激参数以支持靶向颈部迷走神经刺激。随后，我们将aVNS与活体光纤光度测量相结合，记录多个情绪相关区域的钙活动，包括内侧前额叶皮层（mPFC）、梨状皮层（PirC）、背侧海马（dHipp）、基底外侧杏仁核（BLA）、腹侧海马（vHIP）、腹侧被盖区（VTA）和背侧中缝核（DRN）。通过比较区域反应模式，我们评估了aVNS诱发脑活动的异质性和协调组织性。最后，为评估该方法在情绪功能障碍中的功能相关性，我们检测了其在急性脂多糖（LPS）处理小鼠和慢性束缚应激（CRS）小鼠中的效果，并进行了批量RNA测序以探索相关分子变化。综上，本研究证实了无创aVNS可以激活情绪相关脑网络，并为将其作为情绪障碍的神经调控策略提供了神经、行为和分子层面的证据。

章节摘要

实验动物

成年雄性C57BL/6小鼠（8–10周龄）购自珠海博士科技有限公司。动物每组5只饲养于同一笼中，12小时光照/黑暗周期（早上8:00至晚上8:00为光照期），自由摄食饮水。所有动物实验均经中国科学院深圳先进技术研究院动物实验伦理委员会批准，并严格按照实验动物相关规范进行。

aVNS激活分布式情绪相关脑区

在建立aVNS平台后，我们检查了无创颈部迷走神经刺激是否能激活参与情绪调节的中枢脑区。我们在多个情绪相关区域进行光纤光度测量记录，包括mPFC、PirC、dHipp、BLA、vHIP、VTA和DRN。

我们首先评估了刺激期间（0–1 s）和刺激后期间（1–10 s）aVNS在脑前区域诱发的钙反应（图2A）。代表性轨迹，

讨论

在本研究中，我们建立了一个无创aVNS平台，以探讨颈部迷走神经刺激如何调节情绪相关脑环路。声场表征支持对颈部迷走神经区域的局部刺激，活体光纤光度测量揭示aVNS激活了分布式情绪相关脑区，其中mPFC的反应幅度最强。反应模式和相似性分析进一步表明，aVNS诱发的活动在区域间

结论

总之，本研究证明无创aVNS可以激活并组织情绪相关脑网络中的活动，改善炎症和应激相关模型中的焦虑样和抑郁样行为，并部分逆转CRS诱导的mPFC炎症转录改变。这种转录效应表明aVNS可能激活前额叶情绪调节环路中的神经免疫机制，这在临床上具有重要意义，因为应激相关的

CRediT作者贡献声明

朱依依：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原始稿件，可视化，验证，软件，调查，正式分析，数据整理，概念化。陈厚敏吉：可视化，验证，软件，方法论，正式分析，数据整理，概念化。谢千林：验证，方法论，调查，正式分析，数据整理，概念化。雷楚安：软件，正式分析，数据整理，概念化。林正荣：写作 – 审阅与

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益关系或个人关系。

致谢

本工作部分由中国科学院战略先导科技专项（XDB0930000）、国家自然科学基金（编号：U23A20479、T2394532和12227809）、广东省多模态无创脑机接口重点实验室（编号：2024B1212010010）以及深圳市基础研究（编号：CJGJZD20220517141803008）资助。

朱依依|陈厚敏吉|谢千林|雷楚安|林正荣|孟龙|牛莉莉

深圳先进技术研究院医学与健康工程系，保罗·C·劳特伯生物医学成像研究中心，中国科学院，广东深圳518055，中国