随着现代神经科学的飞速发展,调节脑内神经活动的方法愈加多样化,其中非侵入式技术成为研究和临床应用的热门焦点。深层脑结构诸如丘脑核团不仅是神经功能的枢纽,也是多种神经和精神疾病的关键影响区域。传统的深脑刺激技术虽为患者带来福音,却因侵入性和潜在风险令其普及受限。近期,一种革新的超声波系统借助精准、非侵入式的经颅超声刺激技术,为精确调控深脑回路提供了全新途径,令人期待神经调控领域的新纪元。 该创新系统以256个独立控制的超声换能器元素组成半椭球形头盔,这一设计不仅贴合成人头部解剖结构,还确保了超声能量的有效传导与聚焦。工作频率设定为555千赫兹,在保证超声穿透颅骨的同时,实现了极小的聚焦体积,仅约3立方毫米。
如此微小的焦点体积使得系统能够锁定内侧膝状体等重量极小却功能复杂的丘脑核团,避免了以往设备由于焦点过大而导致的非特异性刺激与旁及效应。 此外,系统配备了专门设计的立体定位面罩,结合个体磁共振成像(MRI)数据制作,确保每位受试者在超声头盔内的位置高度稳定且可复现。此设计不仅消除了对外科定位框架的依赖,提升了舒适度,更保障了刺激定位的精确与一致性。面罩还集成了一面可调节镜子,使受试者在扫描过程中能够观察到视野内的视觉刺激,便于功能神经成像实验的同步执行。 该系统还支持与实时功能磁共振成像(fMRI)同步进行,利用先进的软件算法对超声发射参数进行个性化规划和在线调整。基于低剂量计算机断层扫描(CT)获取的颅骨结构信息,系统采用全波声学模型精确计算每个超声单元的驱动相位与幅度,从而补偿颅骨对超声波的衰减与散射,实现精准的焦点聚焦。
扫描过程中,当受试者发生轻微姿势移动时,系统可实时重规划驱动参数,确保超声焦点始终锁定在预定的深脑靶点。 通过严谨的实验验证,该超声系统已在健康受试者中针对视觉系统中的外侧膝状体展开调控研究。实验设计结合视觉任务刺激与经颅超声刺激,通过fMRI监测视觉皮层的激活变化。结果显示,在接受外侧膝状体目标刺激时,受试者的同侧初级视觉皮层显著增强激活,表明超声刺激成功调节了深脑核团,且效应具有高度的个体间重复性。对比对照性刺激靶点的阴性结果进一步证实了刺激的特异性和精确性。 更具突破性的是,采用节律性Theta爆发式超声刺激模式,研究发现刺激后视觉皮层的活动显著下降,持续时间可达40分钟以上,揭示超声刺激能够诱发长期的神经可塑性变化。
这种非侵入式、无创、可控的深脑可塑性调节方式为未来治疗诸如帕金森病、抑郁症、癫痫等神经精神疾病提供了极具前景的替代手段。 技术层面,256元件超声阵列的优势在于其广泛的电子可控波束调制能力和极小的焦点尺寸。传统的单元换能器或小孔径设备受限于声场扩散且穿透力不足,难以针对特定小型深脑核团实现有效刺激。相比之下,该系统结合了先进的波束成形技术和个性化声学模型,拉近了超声焦点与目标结构间的距离,确保深度和空间分辨率的最佳平衡。 与此同时,随着对颅骨内部超声波传播物理机制的深入理解,研究人员能够精准校准声波相位,减少反射和衰减带来的能量损失。水耦合系统的温度和压力调控也保障了超声能量的稳定传递,提升了实验过程中的舒适与安全保障。
高效的噪声抑制技术和同步成像手段使得激发与功能检测完美结合,排除了超声仪器对MRI图像质量的干扰,开启了脑神经调控和成像的同时进行的新时代。 从神经机制角度来看,超声波调控神经活动的具体路径目前尚在研究之中。假说包括通过机械波引发膜电位变化,激活机械敏感离子通道,如Piezo1通道,或产生局部压强效应影响神经元网络的兴奋性。此外,超声调制神经元之间突触连接和神经回路的长时程变化,也许是其诱导可塑性的基础。系统调节参数的多样性为深入探讨上述机制奠定了技术平台基础。 尽管该系统的定位优势明显,但在应用于浅层皮质或更外围脑区时,仍面临角度和耦合效率下降的挑战。
未来技术发展或将通过重新设计阵列布局或集成智能元素选择,实现多区域灵活切换,适配广泛神经调控需求。此外,超声刺激的剂量优化、频率调节和脉冲模式探索,将进一步提升临床转化价值。 社会和伦理层面,该超声系统凭借非侵入性、安全高效的特点,极大降低了介入门槛,使其能广泛应用于健康人群的基础神经科学研究,加深对人脑神经回路功能的理解。临床应用上,它可作为术前模拟刺激方案,辅助确认深脑刺激手术的最优靶点,提高治疗成功率。同时,其可重复和灵活的非侵入调节能力,也为慢性神经疾病患者带来无创个性化治疗新思路。 总结来看,这一先进的经颅超声刺激系统代表了神经调控技术领域的重大突破。
它以电子控制的多元换能器阵列、个性化声学建模与精准立体定位系统为核心,实现了对人类深脑核团的前所未有的非侵入式、精准调控。这不仅有助于揭示深脑结构的功能机制,推动神经科学研究的进步,更为神经精神疾病的治疗开辟了多样化、可控性强的新型手段。未来,随着技术的成熟和机制的进一步解析,超声神经调控有望在临床神经康复、认知增强乃至精神健康管理等领域发挥更大作用,助力人类实现脑功能的精准干预与健康优化。 。
