超聲神經調控技術與科學儀器

黎國鋒，邱維寶，錢明，孟龍，趙慧霞，牛麗麗，蔡飛燕，嚴飛，鄭海榮＊

（中國科學院 深圳先進技術研究院 生物醫學與健康工程研究所，深圳 518055）

超聲神經調控技術與科學儀器

黎國鋒，邱維寶，錢明，孟龍，趙慧霞，牛麗麗，蔡飛燕，嚴飛，鄭海榮＊

（中國科學院 深圳先進技術研究院 生物醫學與健康工程研究所，深圳 518055）

認識大腦是新世紀的重大科學任務。理解腦功能疾病的發病機制和發明新的治療技術已成為科學界的緊迫任務。神經調控技術是開展神經科學研究與神經系統疾病臨床治療的基本手段。本文對多種模態的神經調控方法進行綜述，重點闡述超聲腦神經調控技術的發展歷程、技術原理、儀器研制和應用優勢，并討論超聲腦刺激科學儀器的發展前景。

神經調控；超聲；超聲腦刺激

鄭海榮，中國科學院深圳先進技術研究院研究員、博士生導師，中國科學院深圳先進技術研究院副院長。主要學術研究方向：多功能超聲，醫學成像儀器、神經調控技術。在PNAS、APL、IEEE Trans.等期刊上發表SCI收錄學術論文110余篇，授權專利40余項，研發的多項專利技術實現了產業化。國家杰出青年科學基金獲得者、國家973首席科學家、陳嘉庚青年科學獎獲得者、國家科技創新領軍人才、國家重大科研儀器研制項目負責人。

前言

隨著社會的發展變遷以及人類老齡化程度逐年加劇，抑郁癥、帕金森病和癲癇等腦功能疾病越來越普遍，已經引起國際神經科學家以及臨床醫生的廣泛關注。我國人口基數龐大，這些腦功能疾病患者的數量高達數千萬人，已經成為我國沉重的經濟負擔和社會問題。但是，目前人們對功能性腦疾病的確切機理仍不清楚，并缺乏有效的治療措施。 因此，深入開展對腦功能疾病的發病機制探索和發展先進的干預與治療技術是科學界的緊迫任務。

2012-2013年間，歐盟推出了“人腦計劃”[1]，而美國推出了“腦活動圖譜計劃”[2]，美國與歐盟不約而同把探索人類大腦工作機制作為未來科研重點，投入大筆資金開展研究。2014年，中國科技部也多次召開會議進行深入研討，思考我國腦科學研究的發展思路及前瞻性布局。

研究表明[3-5]， 功能性腦疾病的發生與大腦內特定的“皮質-基底神經節大腦環路”功能障礙有關，刺激相應的靶點可通過相應的回路引起皮質和下行纖維改變從而減輕或治愈癥狀。因此，人工神經核團刺激與環路調控技術被廣泛認為是神經科學研究和神經工程與臨床應用的重要工具。過去30年，出現了多種開創性的神經調控方法，包括經顱磁刺激、經顱電刺激和經顱超聲刺激（如圖1）等非侵入式方法，以及電極深部腦刺激、光感基因和紅外神經刺激等侵入式方法[6]。

1 超聲神經調控技術

1.1 主流神經調控技術

繼1870年德國科學家報道了電刺激犬的大腦皮層可引發特定的軀體反應之后的 100 多年里，電、磁、光等技術與神經科學相結合產生了深部腦電刺激、磁刺激、光基因調控等神經刺激與調控技術[7]。

電極深部腦刺激(Deep Brain Stimulation， DBS)是將電極植入腦內特定神經核團靶點，通過可控的高頻電流刺激調控靶點細胞的異常神經功能，達到有效干預和治療疾病的目的。雖然迄今為止 DBS 技術實現神經刺激的具體機制仍然不完全明確，但是該技術已成為目前唯一能夠與大腦深部直接接觸并干預大腦活動、用于治療大腦疾病的技術手段。自1987 年首次被用于震顫的控制以來，全世界共有 10 多萬名患者植入了 DBS 裝置，為眾多難治性的腦疾病如帕金森病、抑郁癥、難治性癲癇、 肌張力失調、頑固性疼痛、強迫癥等提供了一種有效的干預方法。但是，DBS 的應用也存在著手術創傷和刺激靶點改變不靈活的局限[8-10]。

經顱直流電刺激（transcranial direct current stimulation，tDCS），通過兩個經鹽水浸濕的頭皮貼附電極片向顱內特定區域輸入恒定電流，改變大腦表面神經元膜電位的去極化或超極化方向，從而改變自發神經活動的皮質興奮性。該技術雖然具有非侵入式優點，但卻具有刺激空間分辨率不高、穿透深度太淺的不足。

經顱磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation，TMS)技術是無創的神經調控技術[11]，它由放置于頭皮上的磁性線圈產生的瞬時、高壓脈沖產生一個垂直于線圈平面的磁場域，作用于大腦組織并產生感應電流，使神經細胞去極化并產生誘發電位。該技術可以用于評價神經電生理傳導通路，并嘗試用于抑郁癥、癲癇、中風、精神分裂癥、自閉癥等疾病的神經康復治療。然而，TMS 技術存在刺激的深度淺和空間分辨率低的缺點。

光遺傳學技術(Optogenetics)，利用不同波長的激光實現對細胞水平的興奮性或者抑制性調控，有力地推動了神經科學的發展。但是，光遺傳學技術需要通過病毒轉染和有創的光纖植入手術操作實現，目前僅用于神經科學小動物模型實驗研究，難以應用于臨床腦疾病治療。

1.2 超聲神經調控技術的發展

超聲波做為一種機械波，由物體(聲源)振動產生，并通過壓縮和膨脹媒質實現在氣體、液體或者固體中傳播。超聲波具有波動效應、力學效應和熱效應等三大基本物理效應。盡管超聲調控技術近年來才倍受神經科學領域學者關注，但超聲波在生物醫學領域的應用卻已時間久遠。過去的七十多年間，分別基于超聲波動效應和熱效應的超聲成像診斷技術和高強度聚焦超聲熱消融治療技術已被廣泛應用。然而，主要基于力學效應的超聲神經調控應用更是早在20世紀20年代已經出現。

早在20世紀20年代，學者發現用超聲輻射蛙的坐骨神經，可引起腓腸肌的微小顫動，并且對心跳有顯著影響[13]。隨后，佛萊兄弟及其同事在探索先進的超聲儀器及應用過程中，開創性地發現超聲可以可逆地調控貓的視覺誘發電位（VEPs）[13]。此后的五十多年，大部分的超聲刺激研究都集中在超聲作用于外周受體和神經的效應，包括超聲引起觸覺、溫覺、痛覺和聽覺[14-15]的效應。例如，用125-8000Hz的人耳可聞頻率信號幅度調制超聲載波并直接照射人的耳蝸，可引起聽覺[16]。該結果直觀表明可聞聲波頻率調制的輻射力可能是產生神經調控效應的原因[14]。

另一研究小組主要關注對腦興奮的大規模超聲調控應用。Koroleva[17]等學者采用超聲脈沖（50-100ms）作用于大鼠的大腦皮層、丘腦、海馬和尾狀核，發現脈沖超聲刺激可引起穩定的負電位偏移和擴散性抑制，偶爾會誘發抽搐放電。Velling 和 Shklyaruk[18]采用低強度聚焦超聲脈沖（1-100mW/ cm2）刺激貓和兔子的顳葉、感覺運動和頂骨皮層，發現腦皮層電信號（ECoG）幅度會隨著刺激強度和脈沖重復頻率的變化而變化（較低的刺激強度和頻率可引起腦皮層電信號幅度增加）。此外，聚焦超聲可調控光誘發電位和電刺激運動皮層的閾值。

基于鼠類的研究，雖然有利于發展超聲神經調控方法，但卻受限于顱骨內易形成駐波[18]和實驗結果易受動物麻醉影響的缺點，基于非人靈長類動物和人類開展超聲神經調控研究可不受上述缺點制約，且更有助于臨床應用轉化。Deffieux[21]率先開展了超聲調控獼猴的研究，低強度超聲作用于執行視覺任務的獼猴的前額眼區。實驗展示了320kHz超聲脈沖可瞬時顯著地調控對側視野的反眼跳潛伏期，減慢眼動速度，表明超聲可干擾經過前額眼區實現視覺搜尋的處理過程。

隨后，Tyler 和 Yoo團隊展示了應用聚焦超聲調控人的初級感覺皮層（S1）的研究[22-24]。Legon、Mueller及其同事發現將 500kHz的聚焦超聲（Isppa 23.87W/cm2）作用于S1后，導致感覺誘發電位和固有腦電信號的幅值變低和頻譜成分改變。此外，超聲刺激S1可改善感覺辨別任務的表現，而不會影響執行任務的注意力和反應誤差。Lee小組采用聚焦超聲刺激人的感覺皮層，并引起不同肢體區分的感覺，證明了聚焦超聲對正中神經刺激可激發感覺誘發電位。

相對嚙齒動物，猴子或者人的顱骨對超聲的衰減作用會更大。獼猴顱骨對超聲具有約42%（～4dB）的衰減[21]，而人腦顱骨的超聲衰減可達～6dB。Lee小組結合CT和MRI成像技術以及聲學仿真模型，實施對穿顱超聲聲場的評估，減少不同刺激個體因顱骨和神經解剖結構不同而造成的刺激差異。該小組最近對羊的初級感覺皮層和視覺皮層的超聲刺激研究表明，超聲強度與因刺激產生的動作誘發電位和視覺誘發電位均存在較大的個體差異。

中國科學院深圳先進技術研究院的超聲神經調控研究團隊，在國內率先開展了基于細胞、線蟲、小動物和猴子的超聲神經調控研究，并取得初步的研究成果[25]。

1.3 超聲神經調控技術的優勢

超聲神經調控采用超聲波做為刺激能量的傳播載體，其波動能量能有效穿透不同深度的生物組織（包括顱骨）。結合多陣元超聲換能器以及相控陣技術，超聲波的傳播路徑以及聚焦效果可被精確調控，超聲能量能夠在一定程度上集中作用于指定的生物組織。中國科學院深圳先進技術研究院在國際上首次提出面陣列超聲深腦刺激技術與儀器系統，如圖2a展示了該系統的面陣超聲輻射力發生器示意圖。此外，結合磁共振成像（如圖2b）或者超聲成像技術，可實現圖像引導的超聲神經刺激應用。因此超聲神經刺激相對于其他傳統的電、磁、光神經刺激技術，具有穿透深度大、靶點控制便捷、無創以及可圖像引導等優點。

2 超聲神經調控技術的應用領域

2.1 神經科學研究

神經刺激和調控技術本質上是通過調控不同類型的離子通道，改變神經元的細胞膜電位，進而改變其功能狀態以及神經遞質的釋放，從而在宏觀上實現神經環路和功能網絡的有效調控。盡管超聲神經調控技術已經在細胞、小動物以及人上展開應用，但其確切調控機制尚未被完全了解。因此，超聲神經調控的原理研究仍需持續開展。例如，探索中樞神經系統中哪些離子通道對超聲波輻射敏感。研究不同的超聲參數（中心頻率、脈沖重復頻率、脈沖持續時間和能量強度等）對神經調控效果的影響（興奮或者抑制）。

此外，超聲神經調控做為新穎的無創刺激調控手段，可為神經系統研究提供干預因素或者動物疾病模型。例如，超聲波刺激離體腦片或者在體顱腦，有助于誘發癲癇模型。

2.2 神經假體

超聲波神經調控技術至少可在聽覺和視覺的神經假體中應用。Tsirulnikov團隊用可聞聲波信號幅度調制超聲載波并直接照射人的耳蝸，可引起聽覺[16]，表明超聲神經調控技術有望應用于助聽器等類型的產品。

Menzet等研究人員使用頻率為43MHz的超聲作用在蠑螈離體視網膜組織上，他們發現視網膜對超聲的開啟與關閉均產生反應，并且視網膜的放電頻率以及延遲時間隨超聲強度的增加而增加。Naor 團隊發現超聲波刺激麻醉大鼠視網膜可誘發大腦皮層產生電位，該視覺誘發電位可通過在眼睛玻璃體腔內注射河豚毒素被抑制或明顯減弱[26]。目前，如圖3所示，中國科學院深圳先進技術研究院的超聲神經調控團隊，率先采用頻率為2.25MHz的低頻超聲波開展了大鼠視網膜的離體和在體的刺激研究。初期的研究結果表明，低頻聚焦超聲波輻射離體視網膜可誘發特定神經細胞發放不同類型的動作電位。這些研究表明，使用超聲波在體刺激視網膜的方法，有望實現視覺假體。

2.3 臨床疾病治療

動物實驗表明經顱超聲波可提高腦源性神經營養因子的水平和促進海馬神經形成，并且可通過增強血腦屏障的通透性來增加血清腦源性神經營養因子的供應，這些改變均有助于治療抑郁癥，因此超聲波有望用于治療抑郁癥[27]。此外，癲癇癥狀通常被認為是顱內腦區異常同步放電所致，通過抑制腦區放電或者打破異常同步放電的狀態，有望抑制或者緩解癲癇癥狀的發作[28]。因此，通過適當調節超聲波輻射的靶點位置和參數值，便有望使用超聲波調控癲癇癥狀。類似地，超聲波神經調控技術同樣有望繼承深腦電刺激(DBS)技術用于干預治療帕金森病。

3 超聲腦刺激系統的發展

3.1 超聲刺激模式的多樣性滿足多尺度的神經調控需求

超聲波可由不同參數的超聲換能器產生，其中心頻率、能量強度、脈沖變化規律、能量傳導方式以及照射靶點區域的大小均可被靈活調節。上述優點，決定了超聲神經調控可被廣泛應用于對細胞、腦片、線蟲、昆蟲、嚙齒動物、兔子、犬、羊、非人靈長動物以及人類的研究。因此，超聲神經調控技術可滿足從機制探索到腦功能疾病的臨床干預治療的多尺度需求。雖然超聲神經調控技術已被相關研究人員廣泛關注，但是用于超聲神經調控的實驗系統卻發展緩慢。早期的超聲神經調控實驗裝置通常由體積龐大的分立儀器搭建而成，例如采用函數信號發生器、射頻功率放大器和常規尺寸的超聲換能器搭建單振元超聲刺激平臺。這些組合搭建的實驗平臺具有操作流程復雜、實驗參數評估困難的不足，不利于超聲神經調控技術在神經科學和臨床試驗領域的廣泛應用。為了促進超聲神經調控技術的推廣，中國科學院深圳先進技術研究院超聲神經調控團隊結合自身及同行開展超聲神經調控以及研發高端儀器的經驗，研制了便攜式超聲腦刺激系統（如圖4）、聲表面波操控系統（如圖5）[29]和陣列式超聲腦刺激系統（如圖6）[30]。這些系統已經被應用于十多個實驗室，將助力國內外的神經科學研究小組更快地開展超聲神經調控研究。

3.2 多點動態刺激技術

神經系統在執行任務時，通常需要多個腦區和核團的協同工作。如果僅使用單個小型單振元超聲探頭，難以實現對多個腦區或核團施加刺激，同時容易使組織因長時間輻射而局部損傷。通過陣列探頭和相控陣波束合成技術，可實現對穿顱超聲的路徑和強度做精確計算，從而實現對超聲刺激靶點的多點精確定位，并有效降低非靶點區域被照射損傷的幾率。

3.3 融合磁共振成像功能

基于磁共振成像技術，可實現對實驗對象的解剖結構成像、位移場檢測、溫度監測和腦功能成像等功能，這些功能將有助于原位評估超聲神經調控的作用效果及安全性。例如，磁共振彈性成像技術，通過磁共振相位對比技術檢測組織的微小位移，間接計算聲場的顱內分布參數，進而實現對聚焦超聲焦斑所在位置和范圍的檢測。磁共振血氧水平依賴腦功能成像，通過檢測具有順磁性的脫氧血紅蛋白的含量和血流量增加帶來的抗磁性的氧合血紅蛋白含量比例的變化，判斷腦區被超聲輻射而激活或抑制的狀態。設計超聲神經調控系統時，使用經嚴格篩選磁共振兼容的材料來加工超聲換能器及其附屬配件，嚴格設置刺激系統的空間布局，從而實現超聲刺激系統的磁共振兼容功能。圖7 展示了充分結合磁共振成像優勢的基于超聲輻射力的深腦刺激與神經調控儀器，該儀器目前正由中國科學院深圳先進技術研究院研發，據報道尚屬世界首臺大型超聲神經調控儀器。

3.4 可穿戴系統

對癲癇和帕金森等疾病的治療，常需要突發或者長期的神經調控干預。如果超聲神經調控系統被設計成便攜可穿戴的結構，則有助于為相關疾病提供及時有效的干預和治療手段。超聲神經調控具有很高的時間分辨率，結合可穿戴設計的超聲輻射裝置和具有病癥預測功能的閉環控制系統，便可實現應用前景廣闊的實時無創神經調控系統。圖8展示了中國科學院深圳先進技術研究院研究團隊對小鼠開展頭戴超聲腦刺激實驗的照片。

4 結語

超聲神經調控技術是一項源遠流長而尚待深入研究的神經干預技術，主要通過超聲波攜帶動量對生物組織產生作用力，實現實時、無創的多點深腦刺激與神經調控功能。超聲神經調控技術可廣泛應用于神經科學研究、神經工程假體研發和腦功能疾病的臨床治療等領域。

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Ultrasonic Neuromodulation Technology and Scienti fi c Equipment

Li Guofeng, Qiu Weibao, Qian Ming, Meng Long, Zhao Huixia, Niu Lili, Cai Feiyan, Yan Fei, Zheng Hairong*
( Institute of Biomedical and Health Engineering, Shenzhen Institutes of Advanced Technology, Chinese Academy of Sciences, Shenzhen 518055)

To explore the pathogenesis and therapeutic methods of functional brain diseases has become an urgent task in scientific research. Neuromodulation technologies are the fundamental methods for neuroscience researches and clinical applications. Here, the current neuromodulation technologies, especially the development and application advantages of ultrasonic neuromodulation technology, were reviewed. Meanwhile, the development prospects of the ultrasonic brain stimulation systems were also discussed.

Neuromodulation; Ultrasound; Ultrasonic Brain Stimulation

TB559

A

10. 11967/2017150101

TB559

A DOI：10. 11967/ 2017150101

基金支持：國家重大科研儀器研制項目（81527901），基于超聲輻射力的深部腦刺激與神經調控儀器研制。作者簡介：黎國鋒，博士研究生，研究方向：超聲神經調控。

?通訊作者介紹：鄭海榮，中國科學院深圳先進技術研究院研究員、博士生導師，Email: hr.zheng@siat.ac.cn。