近年来,神经调控技术的飞速发展为人类理解大脑功能和治疗神经疾病带来了前所未有的机遇。传统的神经调控手段如侵入性深部脑刺激(DBS)虽然效果显著,但由于需要开颅手术,存在较高的风险与成本,限制了其广泛应用。非侵入性的技术,例如经颅磁刺激(TMS)和经颅直流电刺激(tDCS),虽然操作简便,但在穿透深部大脑结构和定位精度方面仍存在显著不足。为此,研究人员持续探索更为精准且安全的非侵入性神经调控技术。经颅超声刺激(TUS)作为一种新兴的技术,以其独特的深层穿透能力和高空间分辨率,成为神经调控领域的研究热点。最近,一套先进的经颅超声系统实现了对人体深脑神经回路的精准调控,标志着神经科技进入了一个全新的时代。
该系统采用了包含256个独立控制的超声换能器元件的半椭球形头盔,这些换能器以555千赫兹的频率发射超声波。系统在设计上充分考虑了成人头部的解剖结构,实现了极佳的佩戴舒适度与发射效率。通过精密的软件建模与个性化的治疗规划,可针对受试者的颅骨及脑组织特性,调整各换能器的驱动参数,确保声束集中并精确聚焦于预定的深脑目标。为了保证定位的准确性,系统配备了专门设计的立体定向面颈固定装置,利用参与者个人的解剖信息定制而成,从而最大程度地减少头部运动,并实现跨会话的一致定位。此外,水耦合机制及温度控制的水环境保证了超声能量的高效传输及安全性。该技术的最大亮点在于其与功能性磁共振成像(fMRI)的无缝兼容,使得研究者能够实时监控超声刺激对脑网络活动的影响。
在大规模的实验中,研究团队针对丘脑中的外侧膝状体核(LGN)这一体积小且功能明确的深脑结构进行了靶向调控。通过视觉刺激任务配合在线超声脉冲,fMRI显示出靶向侧LGN时,其功能连接的初级视觉皮层活性显著增强,表明刺激准确靶向并调节了深脑功能。同时,针对邻近但非相关的内侧背核(MDN)实施控制实验,结果无明显视觉皮层活动变化,进一步证实了调控的高度特异性。稳健的实验设计结合伪随机化对照及多组数据采集,确保了结果的重复性与可靠性。更值得关注的是,运用类似于神经调控领域广泛应用的theta节律脉冲刺激模式,通过80秒的刺激令视觉皮层功能显著降低至少40分钟,展现了该系统诱导持久性神经可塑性的潜力。这种持续效应拓展了经颅超声技术不仅能即时调节神经活动,还可能支持深层脑回路的长期重塑,为治疗慢性神经及精神疾病提供理论和技术基础。
与传统深脑刺激相比,该系统无需侵入性手术及植入电极,风险大大降低且方便广泛应用于健康个体及患者,开启了非侵入式深脑调控的新纪元。科学家们普遍认为,经颅超声刺激可能通过机械振动激活神经元膜上的机械敏感离子通道,从而调节神经元的兴奋性。这种作用机制拥有高度可调节性,有望通过改变频率、强度和脉冲间隔来实现对不同神经回路的差异性调控。未来,随着对这些生物学机制的深入理解,超声参数的优化和个性化调整将进一步增强技术的疗效和安全性。技术上的创新还包括灵活的电子束控制,使得同一系统能高速动态调整刺激焦点,从而实现多目标、复杂神经网络的精细调节。该技术的发展也促进了脑功能研究领域的范式转变。
以往对深脑结构功能的探索多依赖于动物模型及侵入式方法,而精准的非侵入性调控工具有望揭示人类深脑不同核团在认知、情绪、意识等多方面的具体作用,推动神经科学基础研究向因果机制转变。在临床应用方面,经颅超声精准调控系统有望成为治疗帕金森病、抑郁症、强迫症、慢性疼痛等难治神经精神疾病的新方案。通过非侵入式调节病理性神经回路,减少传统手术带来的风险与负担,同时能实时监控和调整刺激参数,提高治疗的个体化和效果预测。目前,研究者们正积极进行更大规模的临床试验,评估该系统的安全性、可用性以及长期疗效,期待经颅超声技术能够早日走进临床,为患者带来福音。综上所述,结合尖端超声技术、精准个性化定位和神经影像实时反馈的经颅超声刺激系统,开辟了深脑电路非侵入性高精度调控的新路径。这不仅为神经科学基础研究提供了强有力的工具,也为神经疾病治疗带来了崭新的希望。
随着技术的持续进步和机制的逐步清晰,未来的经颅超声神经调控将在科研和临床领域持续发挥重要影响,推动人类对大脑复杂功能的理解迈上新台阶。 。
