劉亮，隨力，吳拾瑤，楊蘭

上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海200093

前言

超聲波是頻率高于20 kHz 的聲波，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如超聲成像、多普勒成像、碎石術(shù)等。超聲具有波長短、方向性好、穿透能力強(qiáng)的性質(zhì)［1］，可以作為一種刺激手段應(yīng)用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，例如腦刺激技術(shù)等［2］。超聲可以非侵入性跨過顱骨在腦內(nèi)聚焦，進(jìn)行神經(jīng)調(diào)控，目前的研究表明超聲神經(jīng)調(diào)控的機(jī)制有多種，如機(jī)械效應(yīng)、空化效應(yīng)等［3］，但超聲神經(jīng)調(diào)控的確切機(jī)制尚未完全闡明。

神經(jīng)遞質(zhì)是神經(jīng)元之間或神經(jīng)元與效應(yīng)器細(xì)胞如肌肉細(xì)胞、腺體細(xì)胞等之間傳遞信息的化學(xué)物質(zhì)，在神經(jīng)元信息傳遞的各個(gè)方面均起到重要作用。近年來，超聲刺激（Ultrasound Stimulation, US）作用于神經(jīng)系統(tǒng)對神經(jīng)活動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)的神經(jīng)調(diào)控功能引起了關(guān)注，但US的神經(jīng)調(diào)控機(jī)制尚未完全闡明。US的神經(jīng)調(diào)控功能和US 調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)有密切的關(guān)系，本文歸納總結(jié)了US對神經(jīng)遞質(zhì)的調(diào)節(jié)作用。

1 US調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究

神經(jīng)遞質(zhì)有很多種，大致分為4 類，分別為生物原胺類、氨基酸類、肽類和其他類。其中生物原胺類神經(jīng)遞質(zhì)包括多巴胺（Dopamine,DA）、五羥色胺（Serotonin,5-HT）、腎上腺素（Adrenaline,A）和去甲腎上腺素（Noradrenaline, NE）等。氨基酸類神經(jīng)遞質(zhì)包括谷氨酸（Glutamate, Glu）、γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid,GABA）、組胺和乙酰膽堿（Acetylcholine,Ach）等?，F(xiàn)有的研究表明US 對生物原胺類和部分氨基酸類神經(jīng)遞質(zhì)的水平具有調(diào)節(jié)作用（表1）。從表1可以看出，超聲神經(jīng)調(diào)控與超聲頻率和強(qiáng)度的大小密切相關(guān)，超聲強(qiáng)度是指單位時(shí)間內(nèi)垂直于傳播方向通過單位面積的聲能量，可以用空間峰值平均脈沖聲強(qiáng)（Spatial Peak-Pulse Average Intensity,ISPPA）、空間峰值平均時(shí)間聲強(qiáng)（Spatial Peak-Temporal Average Intensity, ISPTA）、空間峰值時(shí)間峰值聲強(qiáng)（Spatial Peak-Temporal Peak Intensity, ISPTP）、空間平均時(shí)間平均聲強(qiáng)（Spatial Average-Temporal Average Intensity,ISATA）［3］來表示。ISPPA為單個(gè)脈沖的平均超聲強(qiáng)度；ISPTA是整個(gè)時(shí)間內(nèi)的平均超聲強(qiáng)度；ISPTP是時(shí)間峰值聲強(qiáng)的最大值；ISATA是時(shí)間的平均聲強(qiáng)與聲束斷面面積比值的平均值。

表1 超聲刺激對神經(jīng)遞質(zhì)調(diào)節(jié)的實(shí)驗(yàn)研究總結(jié)Tab.1 Experimental summary of the regulation of neurotransmitters by ultrasound stimulation

US 可以改變神經(jīng)遞質(zhì)的含量，有研究進(jìn)一步表明神經(jīng)遞質(zhì)的變化幅度和時(shí)程與US 施加的時(shí)間有密切的關(guān)系。Min 等［5］和Yang 等［11］的研究進(jìn)一步 顯示在施加超聲20 min 之后，額葉細(xì)胞外DA、5-HT 和GABA 的水平變化可持續(xù)2 h，而Glu 濃度幾乎沒有變化，如表2所示。

表2 神經(jīng)遞質(zhì)的變化和超聲刺激時(shí)間的關(guān)系Tab.2 The relationship between neurotransmitter changes and duration of ultrasound stimulation

研究表明，US 還可影響后代神經(jīng)遞質(zhì)的含量，US 能夠增加小鼠胎兒腦組織中的Ach、乙酰膽堿酯酶和GABA［12］。最近的研究顯示，低強(qiáng)度低頻超聲可以通過激活星形細(xì)胞的TRPA1 通道，打開鈣離子通道而促進(jìn)Glu的釋放［13］。

2 US調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)的作用機(jī)制

神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)信息傳導(dǎo)的關(guān)鍵部位是釋放神經(jīng)遞質(zhì)的化學(xué)突觸，包括突觸前膜、突觸間隙和突觸后膜。突觸前膜有密集的突觸小泡，其中含有高水平的神經(jīng)遞質(zhì)。當(dāng)神經(jīng)沖動(dòng)沿軸突傳遞到突觸前膜時(shí)，小泡移動(dòng)到突觸前膜并與其融合，神經(jīng)遞質(zhì)被釋放到突觸間隙，和突觸后膜上的受體作用，改變了受體蛋白或離子通道的構(gòu)型，引起電位變化而使突觸后神經(jīng)元或效應(yīng)細(xì)胞的活性受到影響［14］。US可以介導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，當(dāng)突觸傳遞受阻后，US對神經(jīng)元活動(dòng)的誘導(dǎo)作用不再明顯，表明US 需要通過突觸傳遞諸如神經(jīng)遞質(zhì)等物質(zhì)激活神經(jīng)節(jié)細(xì)胞。

目前US 調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)的機(jī)制尚不完全清楚，現(xiàn)有的研究結(jié)果表明US 對神經(jīng)遞質(zhì)的調(diào)節(jié)涉及神經(jīng)遞質(zhì)突觸傳遞的各個(gè)過程（圖1）。US 調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)的機(jī)制可能和以下因素有關(guān)：①調(diào)控電壓門控離子通道的活性，影響神經(jīng)元的興奮性。Tyler 等［15］用低強(qiáng)度聚焦US小鼠海馬區(qū)，使細(xì)胞內(nèi)Na+和Ca2+濃度升高，從而誘導(dǎo)神經(jīng)元活性變化。Tufail 等［16］認(rèn)為以脈沖方式施加聚焦超聲可以調(diào)節(jié)離子通道的活性，表明US 可通過激活電壓門控離子通道來提高神經(jīng)元的電活動(dòng)［17］。Khraiche 等［18］的研究也得出了相同的結(jié)果。②調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)的釋放。Lin 等［19］的研究表明低強(qiáng)度脈沖US 可增強(qiáng)神經(jīng)營養(yǎng)因子的蛋白表達(dá)，觸發(fā)胞吐作用調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)的釋放和突觸傳遞［20］，并且核磁共振引導(dǎo)的超聲能夠促進(jìn)氣體類神經(jīng)遞質(zhì)如一氧化氮的釋放［21］。③促進(jìn)神經(jīng)遞質(zhì)的吸收或去除。US 可以調(diào)節(jié)離子通道的活性，而Na-偶聯(lián)的GABA 受體可以促進(jìn)GABA 的吸收或去除［22］，從而使神經(jīng)遞質(zhì)的局部濃度發(fā)生變化。④改變受體的表達(dá)。Pavlov 等［23］對小鼠海馬區(qū)施加低頻US，結(jié)果顯示某些神經(jīng)遞質(zhì)受體的表達(dá)發(fā)生變化，改變了神經(jīng)遞質(zhì)的基因，從而影響神經(jīng)活動(dòng)。

圖1 超聲刺激對神經(jīng)遞質(zhì)調(diào)控的模式圖Fig.1 Diagram of ultrasound stimulation regulating neurotransmitters

3 US調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)的特點(diǎn)

US 和其他一些神經(jīng)調(diào)控技術(shù)，如經(jīng)顱磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulate,TMS）、深部腦刺激（Deep Brain Stimulate, DBS）和經(jīng)顱直流電刺激（Transcranial Direct-Current Stimulate, tDCS）都具有調(diào)控神經(jīng)遞質(zhì)的功能。

TMS 是在顱骨上施加強(qiáng)磁場，使大腦皮層表面產(chǎn)生感應(yīng)電流。Keck 等［24］使用TMS 刺激腦額葉，發(fā)現(xiàn)紋狀體細(xì)胞外DA 濃度明顯升高，表明TMS 具有無創(chuàng)調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)的能力［25］。但是，磁刺激的感應(yīng)特性會(huì)產(chǎn)生高度擴(kuò)散的磁場，有嚴(yán)重的副作用［26］，并且精確刺激深部皮層結(jié)構(gòu)的能力有限［27］。DBS 是在腦內(nèi)特定區(qū)域植入電極，利用高頻電流刺激大腦神經(jīng)核團(tuán)。Lee等［28］在丘腦底核中植入電極進(jìn)行DBS，引起了Glu 的釋放，從而改變了神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢弧an Dijk等［29］對伏隔核進(jìn)行DBS，增加了前額皮質(zhì)的DA、5-HT 和NE 釋放，表明DBS 能夠調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)的水平。但是，DBS 伴隨侵入式操作，可能會(huì)增加感染的危險(xiǎn)或出現(xiàn)并發(fā)癥［30］。tDCS是一種通過頭顱表面的導(dǎo)電貼板將微弱恒定電流傳遞到腦內(nèi)的技術(shù)［31］，研究表明興奮性（陽極）tDCS 導(dǎo)致局部GABA降低，而抑制性（陰極）tDCS 則導(dǎo)致谷氨酸能神經(jīng)元活性降低［32］，表明tDCS 能對神經(jīng)遞質(zhì)的水平進(jìn)行調(diào)節(jié)。但是，其作用深度淺，空間分辨率較低。

TMS、DBS、tDCS和US特性的比較見表3。綜上，US在調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)方面具有安全無創(chuàng)、靶點(diǎn)控制準(zhǔn)確、方向性強(qiáng)、穿透深度大以及可圖像引導(dǎo)等特點(diǎn)。

表3 幾種神經(jīng)調(diào)控技術(shù)的比較Tab.3 Comparison of several neuromodulation techniques

4 US調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)的潛在臨床應(yīng)用

臨床上的一些神經(jīng)和精神性疾病與神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的神經(jīng)遞質(zhì)異常有著密切的關(guān)系，US 具有無創(chuàng)調(diào)控神經(jīng)遞質(zhì)的功能，因此US 成為治療或輔助治療一些神經(jīng)和精神性疾病的潛在方法。

帕金森病（Parkinson's Disease, PD）是一種常見的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，主要病變是黑質(zhì)內(nèi)多巴胺能使神經(jīng)元凋亡，導(dǎo)致腦內(nèi)DA 水平下降。Magara等［33］和Sperling 等［34］使 用 磁 共 振 引 導(dǎo) 聚 焦 超 聲（Magnetic Resonance-guided Focused Ultrasound,MRgFUS）和單側(cè)聚焦超聲丘腦移植對PD 患者進(jìn)行治療并在三個(gè)月后進(jìn)行回訪，發(fā)現(xiàn)患者的總體癥狀有所緩解，表明US 可以緩解PD 患者的癥狀。阿爾茲海默癥（Alzheimer's Disease,AD）是一種漸進(jìn)性發(fā)展的神經(jīng)退行性疾病，其病因和發(fā)病機(jī)制尚不清楚，可能與基因突變、β-淀粉樣蛋白代謝異常、神經(jīng)細(xì)胞凋亡或者細(xì)胞間信息如神經(jīng)遞質(zhì)的傳遞出現(xiàn)問題有關(guān)。Lipsman 等［35］對早期AD 患者使用MRgFUS 安全開放了血腦屏障，發(fā)現(xiàn)3個(gè)月內(nèi)患者的β-淀粉樣蛋白沒有群組變化，認(rèn)知水平未下降，表明US 可以延緩AD 病情發(fā)展。重度抑郁癥是一種患病率較高的慢性精神障礙綜合征，可能與精神炎癥損傷、神經(jīng)營養(yǎng)機(jī)制紊亂、神經(jīng)遞質(zhì)水平改變或受體基因異常有關(guān)［36］。Kim 等［37］通過MRgFUS 對重度抑郁癥患者進(jìn)行雙側(cè)前囊切開術(shù)，使他們的抑郁癥狀得到了顯著改善，表明US可以改善重度抑郁癥狀。

綜上所述，US使用非侵入性、可控并精確聚焦的神經(jīng)調(diào)節(jié)對大腦進(jìn)行探索和治療，是神經(jīng)遞質(zhì)（DA、5-HT、GABA、Glu 等）異常導(dǎo)致的神經(jīng)性疾病緩解和治療的潛在方法。

5 總結(jié)和展望

近年來，US 作為神經(jīng)調(diào)控手段的研究引起了關(guān)注，本文總結(jié)了US 對神經(jīng)遞質(zhì)的調(diào)節(jié)作用，US 作為一種非侵入性、較安全的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)手段在臨床一些神經(jīng)、精神性疾病的治療中展現(xiàn)出了較大的應(yīng)用前景。

目前US 對神經(jīng)遞質(zhì)調(diào)節(jié)的研究取得了一些進(jìn)展，但仍需進(jìn)一步深入，未來US 調(diào)控神經(jīng)遞質(zhì)的研究可能集中于以下幾個(gè)方面：①實(shí)驗(yàn)研究方面：探索US對更多種類神經(jīng)遞質(zhì)的調(diào)節(jié)作用，考慮US對多種動(dòng)物模型不同腦區(qū)的研究。②實(shí)驗(yàn)儀器方面：開發(fā)更為精確可控、方便調(diào)節(jié)參數(shù)并可設(shè)置多組刺激參數(shù)的US儀器，實(shí)現(xiàn)對神經(jīng)系統(tǒng)的精確聚焦。③US參數(shù)進(jìn)行選擇及優(yōu)化：探索不同刺激參數(shù)對神經(jīng)遞質(zhì)的效果，設(shè)置多種刺激參數(shù)組合研究超聲對神經(jīng)遞質(zhì)影響的刺激閾值。④神經(jīng)遞質(zhì)的檢測方面：優(yōu)化采集和檢測神經(jīng)遞質(zhì)的方法，如電化學(xué)檢測法和質(zhì)譜法等。⑤臨床疾病方面：將US 對神經(jīng)遞質(zhì)活性的調(diào)節(jié)應(yīng)用于人類，緩解和治療如PD、AD、抑郁癥、精神分裂癥、強(qiáng)迫癥、慢性疼痛及精神或活動(dòng)障礙性神經(jīng)疾病。