李 茜，陳雪瑩，王 冬

(重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院超聲科，重慶 400016)

神經(jīng)調(diào)控是采用侵入性或非侵入性技術(shù)，以物理性(光、磁、電、聲)或化學(xué)性手段調(diào)節(jié)神經(jīng)元及其所在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)活性，最終引起特定神經(jīng)功能改變的生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)，為腦神經(jīng)科學(xué)基礎(chǔ)研究和臨床治療中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病提供了全新且有價值的工具。深部腦刺激(deep brain stimulation, DBS)是目前廣泛應(yīng)用的侵入性神經(jīng)調(diào)控技術(shù)，通過立體定向植入電極對腦內(nèi)特定靶點進(jìn)行慢性電刺激，是治療原發(fā)性震顫和帕金森病的長期而有效的方法；但DBS需要定期更換電池，且有出血、感染等風(fēng)險[1]。經(jīng)顱磁刺激(transcranial magnetic stimulation, TMS)和經(jīng)顱直流電刺激(transcranial direct current stimulation, tDCS)利用不同電磁原理將電流傳遞到特定皮質(zhì)區(qū)域，誘導(dǎo)神經(jīng)元興奮[2]，均存在空間分辨率相對較低(厘米量級)和難以刺激大腦皮層下組織等缺點。經(jīng)顱聚焦超聲具有非侵入性、高滲透性、高空間分辨率(約數(shù)毫米)等優(yōu)勢，在神經(jīng)調(diào)控領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。

超聲波能以連續(xù)波或脈沖波形式進(jìn)入人體各組織，通過壓縮和膨脹媒質(zhì)傳遞能量；按照強(qiáng)度可分為高強(qiáng)度超聲和低強(qiáng)度超聲(low-intensity ultrasound, LIUS)[3]。早期相關(guān)研究主要采用高強(qiáng)度超聲，高強(qiáng)度聚焦超聲可通過熱消融和空化效應(yīng)方式使特定腦區(qū)瞬時達(dá)到高溫(>60℃)，導(dǎo)致組織凝固性壞死、蛋白變性[4]，以永久性損傷方式消除病灶并調(diào)節(jié)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。低強(qiáng)度超聲主要利用機(jī)械能，在不引起生物組織溫度顯著升高的前提下進(jìn)行治療[3]，目前低強(qiáng)度聚焦超聲(low-intensity focused ultrasound, LIFU)已在促進(jìn)骨折愈合、軟組織再生等方面獲得良好效果[5]。本文對LIFU的神經(jīng)調(diào)控作用研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 概述

2008年，TYLER等[6]通過LIUS直接誘發(fā)小鼠海馬CA1椎體神經(jīng)元動作電位和突觸傳遞,證實LIUS可作為調(diào)節(jié)神經(jīng)元活動的工具。TUFAIL等[7]進(jìn)一步利用LIFU照射顱骨完整活體小鼠的海馬區(qū)，發(fā)現(xiàn)LIFU能非侵入性刺激完整小鼠腦回路。隨后LIFU對腦皮層及皮層下神經(jīng)元活動的調(diào)節(jié)作用相繼在大鼠[8]、兔[9]及非人靈長類動物[10]模型中得到證實。LEGON等[11]利用LIFU定向刺激初級軀體感覺皮層(S1)，發(fā)現(xiàn)受試者觸覺感知能力提升，且正中神經(jīng)刺激引起的體感誘發(fā)電位顯著減弱，為LIUS用于人類局部皮層神經(jīng)調(diào)節(jié)提供了依據(jù)。

2 LIFU神經(jīng)調(diào)控作用的潛在機(jī)制

目前多數(shù)研究[12-13]認(rèn)為LIFU利用機(jī)械效應(yīng)機(jī)制和空化機(jī)制等非熱機(jī)制調(diào)節(jié)神經(jīng)元活性。

2.1 機(jī)械效應(yīng)機(jī)制 超聲波在組織傳播過程中產(chǎn)生的聲輻射力(acoustic radiation force, ARF)可引起細(xì)胞膜機(jī)械振動和形變，激活神經(jīng)元內(nèi)機(jī)械敏感離子通道，進(jìn)而引起細(xì)胞放電。TYLER等[6]研究表明，LIFU可分別觸發(fā)海馬CA1椎體神經(jīng)元電壓門控鈉通道和電壓門控鈣通道，產(chǎn)生電流瞬變觸發(fā)突觸胞外分泌和突觸傳遞。此外，機(jī)械敏感離子通道如雙孔域家族K2P離子通道、Piezo離子通道、瞬時感受器電位(transient receptor potential, TRP)、瞬時受體電位錨定蛋白1(transient receptor potential ankyrin 1, TRPA1)對機(jī)械力的敏感度均較高，可在LIFU刺激下實現(xiàn)機(jī)械-電信號轉(zhuǎn)化[14]。一項針對突變體秀麗隱桿線蟲模型的行為學(xué)研究[15]表明，去除機(jī)械敏感離子通道可抑制神經(jīng)元對機(jī)械刺激的反應(yīng)，而去除熱敏離子通道后反應(yīng)不受限，表明機(jī)械性刺激為LIFU引起神經(jīng)元活動的主要機(jī)制。

2.2 空化效應(yīng)機(jī)制 空化效應(yīng)指組織內(nèi)的氣體在不同參數(shù)超聲波作用下出現(xiàn)微泡膨脹、收縮甚至爆裂的現(xiàn)象，亦為超聲波神經(jīng)調(diào)控的重要機(jī)制，其可分為慣性空化及非慣性空化。KRASOVITSKI等[16]提出膜內(nèi)空化概念，即細(xì)胞膜脂質(zhì)雙分子層在超聲波產(chǎn)生的機(jī)械力作用下發(fā)生擴(kuò)張和收縮，導(dǎo)致膜內(nèi)空間收縮和膨脹。細(xì)胞膜和細(xì)胞骨架的周期性舒張和收縮影響離子運(yùn)動。PLAKSIN等[17]在此基礎(chǔ)上提出了神經(jīng)元膜內(nèi)空化激發(fā)假說，即膜內(nèi)空化效應(yīng)產(chǎn)生電容位移電流，導(dǎo)致電荷在數(shù)十毫秒中積累，最終觸發(fā)動作電位。

3 LIFU在顱腦疾病中的研究進(jìn)展

目前LIFU已成為研究動物和人類大腦內(nèi)神經(jīng)元活動、腦區(qū)功能及其連接的非侵入性方法，近年在治療癲癇、帕金森病(Parkinson diseases, PD)、阿爾茨海默病(Alzheimer's disease, AD)及抑郁癥等中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中展現(xiàn)出一定效果。

3.1 癲癇 癲癇是以神經(jīng)元過度興奮或神經(jīng)元抑制不足而致反復(fù)發(fā)作的常見神經(jīng)系統(tǒng)疾病。難治性癲癇病灶常位于重要腦區(qū)或呈多發(fā)、彌漫性分布于大腦半球，無法通過常規(guī)手術(shù)方式予以切除，使得神經(jīng)調(diào)控成為重要治療方法。臨床前研究[18-19]結(jié)果顯示，LIFU具有調(diào)節(jié)或中斷癲癇動物模型異常神經(jīng)電活動的能力。MIN等[18]發(fā)現(xiàn)，戊四氮癲癇大鼠接受LIFU刺激后，腦電圖顯示癲癇爆發(fā)的信號數(shù)量明顯減少，證實LIFU可有效抑制戊四氮誘導(dǎo)的大鼠急性癲癇活動。CHEN等[20]進(jìn)一步探索發(fā)現(xiàn)LIFU抑制急性癲癇發(fā)作可能與PI3K-Akt-mTOR信號通路相關(guān)。HAKIMOVA等[19]在紅藻氨酸誘導(dǎo)的大鼠顳葉癲癇模型中發(fā)現(xiàn)LIFU能有效控制慢性期癲癇復(fù)發(fā)并改善與癲癇相關(guān)的社交障礙和抑郁行為。鄒俊杰等[21]建立癲癇猴模型，發(fā)現(xiàn)予以LIFU刺激后癲癇發(fā)作次數(shù)和持續(xù)時間均顯著降低，為臨床轉(zhuǎn)化提供了重要的實驗證據(jù)。LIN等[22]采用與膜片鉗技術(shù)兼容的微型超聲刺激儀對15例癲癇患者的顳葉腦切片進(jìn)行LIFU照射，發(fā)現(xiàn)超聲波能可逆性抑制神經(jīng)元癲癇樣放電，抑制持續(xù)時間達(dá)75 s；進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)超聲波刺激可誘導(dǎo)抑制性突觸輸入增加，進(jìn)而調(diào)節(jié)突觸輸入以抑制癲癇樣放電。上述研究初步支持LIFU具有調(diào)節(jié)異常神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和治療癲癇作用。

3.2 PD PD是以運(yùn)動遲緩、僵直和靜止性震顫為特征的神經(jīng)退行性疾病，皮質(zhì)-基底神經(jīng)節(jié)神經(jīng)環(huán)路在PD發(fā)生中發(fā)揮重要作用[23]，LIFU調(diào)控此環(huán)路及環(huán)路上重要的腦深部神經(jīng)核團(tuán)是治療PD的方法之一。WANG等[24]以LIUS刺激PD小鼠模型丘腦底核(subthalamic nucleus， STN)，發(fā)現(xiàn)初級運(yùn)動皮層(M1區(qū))的局部場電位信號(local field potentials， LEP)明顯減弱， 表明LIFU可誘導(dǎo)PD小鼠運(yùn)動皮層興奮。ZHOU等[25]采用可穿戴式超聲換能器以LIFU精準(zhǔn)刺激PD小鼠運(yùn)動皮層，結(jié)果顯示小鼠在曠場試驗中的探索能力及爬桿試驗中的運(yùn)動遲緩和平衡障礙均得到顯著改善，LIFU可提高PD小鼠運(yùn)動能力。XU等[26]發(fā)現(xiàn)PD小鼠接受LIFU照射后黑質(zhì)紋狀體內(nèi)多巴胺水平與對照組相比明顯增加，且小鼠運(yùn)動活性增加。周慧[27]報道，以LIFU刺激慢性PD小鼠STN能抑制小膠質(zhì)細(xì)胞慢性炎癥反應(yīng)和星形膠質(zhì)細(xì)胞活性，表明LIFU可通過抑制PD小鼠腦內(nèi)慢性神經(jīng)炎癥反應(yīng)而發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用。

3.3 情緒障礙及抑郁 腹內(nèi)側(cè)前額葉皮層(ventromedial prefrontal cortex， vmPFC)在情緒和情緒調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用[28]，以LIFU刺激相關(guān)腦區(qū)有望成為調(diào)節(jié)情緒及相關(guān)疾病的手段之一。HAMEROFF等[29]采用8 MHz臨床超聲設(shè)備照射慢性疼痛患者額葉大腦皮層15 s，之后患者情緒出現(xiàn)積極改變。SANGUINETTI等[30]發(fā)現(xiàn)以LIFU刺激右額下回20～30 min可致負(fù)面情緒顯著增加，且功能MRI(functional MRI， fMRI)結(jié)果顯示背外側(cè)前額葉皮層、內(nèi)側(cè)前額葉皮層和右額下回之間連接增加，而右額下回與邊緣系統(tǒng)間連接減少，提示LIFU刺激可改變情緒處理和情緒相關(guān)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電活動。LIFU對于接受抑郁大鼠模型[31]具有抗抑郁作用，蛋白印跡分析表明LIFU可提高海馬組織腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor， BDNF)水平，并促進(jìn)海馬神經(jīng)元增殖。ZHANG等[32]建立慢性接受不可預(yù)測壓力抑郁小鼠模型，并以LIFUS刺激vmPFC，結(jié)果顯示LIFUS可成功扭轉(zhuǎn)小鼠抑郁狀態(tài)，如行為減少和快感缺乏等。

3.4 AD LIN 等[33]以LIFU照射鋁誘導(dǎo)AD大鼠腦損傷模型的海馬區(qū)，發(fā)現(xiàn)海馬區(qū)內(nèi)BDNF等神經(jīng)營養(yǎng)因子水平增加，且鋁濃度、乙酰膽堿酶活性和β-淀粉樣蛋白(amyloid β-protein， Aβ)水平明顯降低，大鼠模型記憶能力和認(rèn)知功能均有所改善。HUANG等[34]發(fā)現(xiàn)采用LIFU刺激大鼠海馬CA1神經(jīng)元能影響樹突棘的密度和功能，并使谷氨酸受體N2A(glutamate receptorsN2A， GluN2A)表達(dá)上調(diào)。一項針對4例AD患者的初步臨床研究[35]表明，LIFU可提高患者顳葉、扣帶回和額葉皮質(zhì)的局部葡萄糖代謝率并改善其記憶、認(rèn)知功能，且未引起明顯血腦屏障損傷。

4 LIFU的安全性

大量動物實驗和人體試驗均未發(fā)現(xiàn)LIFU致組織或神經(jīng)元功能損傷，亦無受試動物或人體出現(xiàn)嚴(yán)重行為異常和精神改變的報道，但其安全性仍有待進(jìn)一步探索。

總之，LIFU神經(jīng)調(diào)控在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域具有良好應(yīng)用前景，同時仍存在許多未知領(lǐng)域，如超聲參數(shù)選擇、研究對象種族差異、長期安全性以及具體作用機(jī)理等，有待深入研究。