低強度經顱超聲刺激調控大腦神經研究進展

李澤鈞，黎峰銘，陳鏡宇

(重慶醫科大學附屬兒童醫院超聲科 國家兒童健康與疾病臨床醫學研究中心兒童發育疾病研究教育部重點實驗室 兒童發育重大疾病國家國際科技合作基地 兒科學重慶市重點實驗室，重慶 400014)

利用神經調控技術(neural control technology， NCT)可獲得大腦神經回路信息[1]。NCT分為非侵入性和侵入性。侵入性NCT需將電極植入生物體內，如深部腦刺激，操作風險較高；而非侵入性NCT如經顱直流電刺激及經顱磁刺激存在空間分辨率較差、聚焦效果欠佳及穿透深度受限等局限性[2]。低強度超聲指頻率>20 000 Hz、強度<100 W/cm2的聲波，可興奮或抑制神經元活動，且幾乎不引起熱效應及組織損傷。根據超聲波頻率，低強度超聲可分為聚焦超聲和非聚焦超聲；前者能量畸變較小，有望用于經顱神經調節。

低強度經顱超聲刺激(low intensity transcranial ultrasound stimulation， LITUS)為利用低強度聚焦超聲(low intensity focused ultrasound， LIFU)穿透顱骨調節神經組織的技術，具有成本低、無創、時間和空間分辨率高、穿透性強及易于適應閉環療法等優點，優于其他腦部刺激方法，已獲得廣泛關注[2]。研究[3-4]證實，LIFU不僅能調控大腦皮層腦區，還可非侵入性刺激深部腦區。本文對近年LITUS調控大腦神經的研究進展進行綜述。

1 動物實驗

1.1 正常模型 LITUS可引發神經活動、運動反應及皮質血流動力學反應[5-6]；不同參數LITUS作用于大腦不同部位可產生不同調控作用。XIE等[7]采用空間峰值脈沖平均聲強(intensity spatial peak pulse average， ISPPA)為1.10 W/cm2的LIFU照射正常小鼠初級運動皮層，發現其運動皮層與肌肉之間的耦合強度增強，并與聲脈沖群重復數(number of tone bursts， NTB)呈顯著正相關。既往研究[8]表明，以空間峰值時間平均聲強(intensity spatial peak time average， ISPTA)為20.00 W/cm2的LIFU刺激大鼠丘腦腹外側核能可逆性抑制體感誘發電位；以ISPPA為2.30、4.60 W/cm2的LIFU刺激大鼠下丘腦可抑制聽覺誘發電位，且強度越大，抑制作用越明顯[9]。LITUS還可誘發特定行為，如以ISPPA為46.00 W/cm2的LIFU刺激小鼠初級體感皮層可誘發其原位動作電位引起轉頭行為[1]。此外，HUANG等[10]證實，LITUS(ISPPA=7.20 W/cm2)可有效改變新生大鼠海馬神經元的樹突結構、電生理特性及神經遞質受體表達水平，可能原因在于LITUS可提高腦源性神經營養因子(brain-derived neurotrophic factor， BDNF)表達而發揮神經保護作用[11]。

上述實驗研究主要針對嚙齒動物；以大型動物如靈長類為研究對象，將更有利于LITUS的臨床轉化。DANIELS等[9]發現LITUS(ISPPA=2.30、4.60 W/cm2)能抑制豬的聽覺皮層誘發電位。WATTIEZ等[12]以LIFU(ISPPA=1.90、5.60 W/cm2)刺激獼猴額葉眼動區，發現其副視區活動及40%神經元活性明顯增強。此外，LITUS(ISPPA=29.50 W/cm2)還能引起獼猴初級體感皮層功能MRI(functional MRI， fMRI)信號明顯增強[13]。

1.2 疾病模型 多項研究[14-18]表明，LITUS可有效抑制神經系統/精神疾病進展，包括阿爾茨海默病、帕金森病及癲癇等。以LIFU(ISPPA=5.10 W/cm2)刺激帕金森病小鼠的底丘腦核可顯著改善其行為，并降低初級運動皮層(M1)中的帕金森病重要生物標志物水平[16-17]，可能與LITUS可激活離子通道活性、增強或抑制神經元活性、進而調節神經網絡振蕩有關[19]。研究[18]證實，LITUS(ISPPA=0.70 W/cm2)可調節顳葉癲癇小鼠的海馬CA1區神經振蕩，有效抑制癲癇發作、延長癲癇潛伏期以及縮短癲癇發作持續時間。CHEN等[20]的研究結果同樣表明，LITUS(ISPPA=2.81 W/cm2)能夠干擾神經元活動，有效抑制急性癲癇動物模型腦電圖的尖峰，且不影響大腦星形膠質細胞正常表型或導致腦損傷等。

早期治療急性期缺血性腦卒中可明顯降低患者腦損傷程度，改善遠期預后[21]。以特定頻率和強度的LIFU進行干預可減少腦梗死病灶體積，減少神經元凋亡[22]，提高BDNF表達[23]。BAEK等[24]以LIFU(ISPPA=2.56 W/cm2)刺激缺血性腦卒中小鼠的小腦外側核，發現其半球間平衡得到恢復，并減少了相關浦肯野細胞死亡。同樣，以LIFU(ISPPA=2.60 W/cm2)刺激缺血性腦卒中大鼠受損部位的皮層區域可降低腦組織受損程度、減少神經元丟失，還能穩定細胞膜Na+-K+-ATP酶、抑制細胞毒性水腫、改善神經元功能及預后[25]，且越早施行LITUS保護效果越佳[21]。此外，LITUS還可抑制大鼠震顫、引起尾部和四肢的運動反應[26]，緩解小鼠抑郁樣行為[27]，調節衰老小鼠下丘腦功能，減少細胞凋亡，降低氧化應激和炎癥反應[28]。

不同參數組合、輻照時間、輻照部位、甚至不同動物模型均可能引發不同的神經調控效應。上述動物實驗中，LITUS所用頻率多為0.05～2.00 MHz，輻照時間多為50～500 ms，最常用頻率為0.5 MHz，但目前尚未能確定LITUS調控動物大腦的最佳參數，有待進一步研究。同時，LITUS對大腦神經調控的作用機制迄今仍不明確，可能與其激活離子通道(如神經細胞膜Na+-K+-ATP酶)、調節皮質血流動力學反應及增加大腦BDNF表達有關[19]。

2 臨床研究

2.1 用于觀察健康人 LITUS可引發人腦神經活動和運動反應。以LIFU(ISPPA=16.95 W/cm2)刺激健康人初級運動皮層，可增加其目標腦區激活體積，且該激活體積在空間上主要限于運動皮層(M1)，不會擴展至功能連接的運動區域[29]。LEGON等[30-31]分別采用LIFU輻照健康人丘腦(ISPPA=7.02 W/cm2，輻照500 ms)和初級運動皮層(ISPPA=17.12 W/cm2，輻照500 ms)，結果顯示LITUS能有效抑制人大腦神經元。此外，LITUS(ISPPA=54.00 W/cm2，輻照2 min)用于健康人右側額下回可調控與情緒相關的功能特異性腦網絡，從而改善情緒[32]。

2.2 用于治療神經系統/精神疾病 LITUS的聚焦程度和穿透深度可滿足精準調節神經的要求，且不會對正常組織造成熱損傷，因此，以LITUS治療神經系統/精神疾病越來越受到重視。NICODEMUS等[33]將LITUS(ISPTA=0.52 W/cm2)用于阿爾茨海默病患者的海馬或黑質，發現62.5%的患者認知評分提高，87%精細運動評分提高，87.5%大體運動評分提高，同時部分海馬出現再生跡象。

3 安全性研究

LITUS用于臨床的關鍵在于其安全性。LITUS熱效應弱，能在不損傷組織的情況下可逆性調節神經活動，即使暴露于聲束路徑的腦區也未見損傷[10,25]。LEGON等[30]發現LITUS用于大腦的安全性高于高頻經顱超聲刺激。為避免對組織產生有害影響，美國食品藥品監督管理局規定ISPPA應<0.72 W/cm2，且多項研究[10,25,30]表明，該標準內的超聲刺激安全性較高。另一方面，較高強度LITUS可能導致大鼠大腦局部出血[34]。此外，以ISPPA=17.12 W/cm2的LIFU輻照500 ms刺激健康人的初級運動皮層后，部分受試者出現輕-中度頭頸部疼痛、嗜睡、肌肉抽搐及瘙癢等癥狀，數日后消失[31]。雖然目前尚未見有關LITUS引起病理變化的報道，但部分研究[31]結果仍顯示其存在一定安全問題，且LITUS用于靈長類動物或人類的研究較少，對其安全性仍需深入觀察。

4 小結與展望

作為無創且具有廣闊應用前景的神經調控方法，LITUS兼具傳播方向性佳、聚焦效果好、穿透能力強和空間分辨率高等特點。LITUS可興奮或抑制動物大腦神經，且迄今尚未出現明顯安全性問題，但其具體調控機制尚不清楚，未來可采用體外細胞培養方法進一步探究。LITUS用于調控靈長類動物及人類大腦神經的研究尚未成熟，在更好地開展人體研究前，需評價其短期及長期安全性，并針對不同疾病探究最佳強度、占空比、聲脈沖群重復頻率和輻照時間等參數。另外，既往多數研究僅采用超聲定位大腦目標，而NICODEMUS等[33]在fMRI引導下完成的臨床試驗結果提示，fMRI與LITUS相結合、實現精準靶向治療將是未來的研究方向。