羅凱旋，馮湘君，陳茉弦，林愛金，易沙沙，敖麗娟

（昆明醫(yī)科大學康復學院，云南 昆明650000）

神經(jīng)調(diào)控技術(shù)對科學研究和臨床實踐都具有重要意義。除常見的電、磁等方法進行調(diào)控方法外，低強度聚焦超聲（low-intensity focused ultrasound,LIFU）在神經(jīng)調(diào)控領(lǐng)域的獨特優(yōu)勢日益凸顯。本文就LIFU 對神經(jīng)調(diào)控作用研究進展進行綜述。

1 LIFU

超聲波是頻率高于20 000 Hz 的聲波，長期以來被廣泛應(yīng)用于臨床影像學檢查及物理因子治療等。1929年HARVEY[1]發(fā)現(xiàn)超聲可以激活坐骨神經(jīng)并引發(fā)腓腸肌顫動。此后，超聲包括神經(jīng)調(diào)控在內(nèi)的生物作用獲得越來越多的關(guān)注。聚焦超聲（focused ultrasound surgery, FUS）是通過聚焦式換能器使超聲以聚焦的方式發(fā)揮作用的超聲波，F(xiàn)US 可使作用范圍較為集中。2016年美國食品與藥品管理局批準FUS 用于原發(fā)性震顫的治療。根據(jù)強度大小可將FUS 分為高強度聚焦超聲（high-intensity focused ultrasound, HIFU）和LIFU。TYLER 等[2]報道HIFU 熱效應(yīng)明顯，易引起細胞的不可逆損傷甚至死亡，主要用于熱消融治療。相較HIFU 而言，LIFU 對神經(jīng)調(diào)控具有較大的優(yōu)勢，LIFU 可興奮和抑制神經(jīng)元活動，且其影響是可逆的，有望成為理想的神經(jīng)調(diào)控方法。

2 LIFU調(diào)控神經(jīng)原理

目前科學界關(guān)于LIFU 調(diào)控神經(jīng)原理的共識并未達成。在過去近一個世紀的科研探索中，研究表明LIFU對神經(jīng)調(diào)控作用的原理可能包括以下幾個方面。

2.1 熱作用

LIFU 的本質(zhì)是超聲波，生物作用包括熱作用、輻射力、空化效應(yīng)等。理論上，生物組織因吸收聲能致使溫度升高，可提高神經(jīng)元的興奮性。然而過高的溫度會使酶、蛋白質(zhì)等失去最佳工作溫度而降低生物效力，甚至出現(xiàn)變性壞死等不可逆損傷。這也是HIFU 熱消融的基礎(chǔ)。BORRELLI 等[3]用1 MHz、強度300 W/cm2的超聲作用于貓的去骨瓣大腦，發(fā)現(xiàn)腦組織化學突觸的形態(tài)和結(jié)構(gòu)受到損傷，從而抑制了神經(jīng)元活動。COLUCCI等[4]也指出熱作用可導致神經(jīng)元活動抑制。然而，LIFU 的熱作用并不明顯，F(xiàn)US 特別是LIFU 對神經(jīng)調(diào)控作用的部分實驗證實，局部溫度并未發(fā)生可檢測的改變[5]。單純的熱作用不能完全解釋LIFU對神經(jīng)調(diào)控的原理。

2.2 機械作用

LIFU 的機械作用亦可興奮神經(jīng)元。超聲波是一種機械波，可通過輻射力對生物組織產(chǎn)生機械作用。研究表明，超聲輻射力可震動生物組織并使其發(fā)生位移[6]。細胞膜的脂質(zhì)雙分子層具有流動性，膜內(nèi)存在機械敏感性離子通道。機械敏感性離子通道可識別細胞膜的機械力變化并快速做出反應(yīng)，將機械信號轉(zhuǎn)化為電或化學信號[7]。LIFU在穿過生物組織時可通過機械作用激活機械敏感性離子通道，使膜電位發(fā)生改變，進而激活電壓門控離子通道使神經(jīng)元出現(xiàn)興奮狀態(tài)。部分研究結(jié)果從側(cè)面為這一假設(shè)提供支持。TYLER 等[2]在利用LIFU 興奮中樞神經(jīng)的實驗中觀察到流入細胞的Ca2+和Na+增加，突觸傳遞加強。而加入相應(yīng)的鈣和鈉通道阻滯劑后，LIFU 引起Ca2+、Na+內(nèi)流被阻斷，研究指出LIFU 激活電壓門控鈉通道和鈣通道[2]。KUBANEK等[8]針對K+通道的研究也得到類似結(jié)果。

2.3 空化效應(yīng)

空化效應(yīng)也被認為是LIFU神經(jīng)調(diào)控的機制之一?？栈?yīng)是指當超聲作用于生物組織時，組織內(nèi)形成氣體微泡，在超聲作用下微泡震蕩甚至爆裂的現(xiàn)象。目前已有研究人為地將微泡注入體內(nèi)，利用超聲的空化效應(yīng)開放血腦屏障以達到局部定向遞送藥物的目的[9]。此外，人體諸如肺、腸等器官中天然存在氣體，體液的疏水物質(zhì)中亦含有微小的氣體顆粒，當超聲將體液的壓力降低或呈負壓狀態(tài)時，這些亞微米級的氣體顆粒會與疏水性物質(zhì)分離并膨脹形成氣體微泡[10]。在超聲作用下連續(xù)震蕩的微泡會撞擊磷脂雙分子層，負壓會使磷脂雙分子層分離，正壓則使其靠攏[11]。這些都為機械敏感性離子通道的激活創(chuàng)造了條件。有學者通過磷脂雙分子層模型研究指出，空化效應(yīng)的存在使得磷脂雙分子層可以將聲能轉(zhuǎn)化為機械應(yīng)力與應(yīng)變，進而激活機械敏感性離子通道，而引發(fā)這種磷脂膜的運動無需事先注入微泡[12]。盡管磷脂雙分子層模型研究認為空化效應(yīng)是LIFU 神經(jīng)調(diào)控作用的機制之一，但目前還缺乏相應(yīng)的體內(nèi)實驗研究。

3 LIFU神經(jīng)調(diào)控作用的研究進展

3.1 動物實驗

3.1.1 中樞神經(jīng)調(diào)控20世紀50年代，F(xiàn)RY 等[13]利用FUS輻照貓的一側(cè)外側(cè)膝狀體，觀察到由光刺激引起的視覺皮層電生理活動被短暫抑制，30 min后恢復正常。也有研究發(fā)現(xiàn)[14]FUS 可以使大鼠大腦皮層、海馬、丘腦和尾狀核的電位產(chǎn)生穩(wěn)定性改變，引起皮層及皮層下的傳導抑制，因而產(chǎn)生相應(yīng)的功能阻滯。而MAZOUE 等[15]報道的則是超聲對神經(jīng)的興奮作用。有學者[16]通過實驗研究FUS強度與中樞神經(jīng)調(diào)控作用的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)當強度低于0.1 mw/cm2時，F(xiàn)US 并不能發(fā)揮神經(jīng)調(diào)控作用；在1～100 mw/cm2強度范圍內(nèi)，F(xiàn)US 可興奮神經(jīng)的生物電活動；1～100 mw/cm2范圍內(nèi)的強度則會對神經(jīng)的生物電活動產(chǎn)生抑制。2008年，TYLER 及團隊的LIFU 神經(jīng)調(diào)控實驗取得重大突破，該團隊利用超聲輻照小鼠海馬切片組織使其產(chǎn)生動作電位[2]。隨后，LIFU對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)控作用亦在麻醉狀態(tài)的兔類[17]實驗中得以證實。2013年DEFFIEUX等[18]首次用LIFU實現(xiàn)對非人靈長類動物恒河猴覺醒狀態(tài)下的大腦調(diào)控，進而影響其眼肌運動。最近，我國的研究團隊用LIFU對SD大鼠海馬區(qū)進行輻照，亦發(fā)現(xiàn)LIFU 可以有效影響該區(qū)的局部場電位[19]。

3.1.2 外周神經(jīng)調(diào)控自1929年HARVEY 發(fā)現(xiàn)超聲波對外周神經(jīng)系統(tǒng)有調(diào)控作用后，20世紀60年代以來的實驗主要是圍繞FUS 對以坐骨神經(jīng)為代表的外周神經(jīng)調(diào)控作用的研究。COLUCCI 等[4]研究了FUS 對蛙坐骨神經(jīng)的傳導阻滯作用。關(guān)于超聲強度與外周神經(jīng)元興奮狀態(tài)關(guān)系的研究指出，特定強度的FUS 可使離體蟾蜍的坐骨神經(jīng)電活動增強，而較高強度則會出現(xiàn)可逆性的抑制作用[20]。亦有研究表明超聲可以促進坐骨神經(jīng)再生[21-22]。除坐骨神經(jīng)外，有學者對外展神經(jīng)進行了研究。該實驗設(shè)置特定參數(shù)的LIFU 在磁共振引導下穿過顱腦作用于麻醉大鼠的外展神經(jīng)，刺激側(cè)眼球的外展運動，隨后的組織學檢查未發(fā)現(xiàn)血腦屏障被破壞，也未發(fā)現(xiàn)鄰近腦組織和神經(jīng)本身的破壞[23]。另有研究[24]發(fā)現(xiàn)FUS 可抑制迷走神經(jīng)，導致相應(yīng)的復合動作電位波幅降低，潛伏期延長。

3.2 人類試驗

FUS作用于人類手的不同部位會引起痛覺、觸覺等軀體感覺[25]。隨著FUS技術(shù)的進步，一系列經(jīng)顱骨FUS 調(diào)控中樞神經(jīng)系統(tǒng)的人類試驗得以開展。2014年，LEGON 等[26]運用FUS 輻照人的初級軀體感覺皮層提高受試者的觸覺辨認能力。LEE等[27]發(fā)現(xiàn)，LIFU作用于軀體感覺皮層可令人產(chǎn)生不同類型的軀體感覺并引出相應(yīng)的腦電，該團隊也報道FUS作用于初級視覺皮層，激活包括作用靶點在內(nèi)的與視覺相關(guān)腦區(qū)并使人產(chǎn)生光感[28]。也有研究報道FUS對人類初級運動皮層的神經(jīng)調(diào)控作用，2018年，LEGON 等[29]將FUS作用于人類初級運動皮層，導致運動誘發(fā)電位的波幅減小。另一團隊則運用功能磁共振證實FUS對初級運動皮層的激活作用[30]。

4 LIFU神經(jīng)調(diào)控的優(yōu)勢

目前常用的神經(jīng)調(diào)控方法包括深部腦刺激（deep brain stimulation, DBS）、經(jīng)顱直流電刺激（transcranial direct current stimulation, tDCS）、經(jīng)顱磁刺激（transcranial magnetic stimulation, TMS）和光遺傳學等。雖然1997年美國食品與藥品管理局就已批準DBS 用于治療原發(fā)性震顫，但DBS 是具有侵入性的，需將刺激電極人為地植入大腦并定期更換電池，感染風險較大，患者接受度較低；光遺傳學技術(shù)需要有創(chuàng)植入光纖，且尚未進入臨床應(yīng)用階段；tDCS 和TMS 為非侵入性神經(jīng)調(diào)控手段，但其作用深度較淺，同時空間分辨率不高。LIFU 為上述問題的解決提供可能。

超聲波穿過顱骨時會產(chǎn)生衰減[20 dB/（cm·MHz）][31]，因而早期的超聲研究需切除顱骨[31]。隨著FUS的發(fā)展和相控陣系統(tǒng)的進步，在技術(shù)上實現(xiàn)對聲束幾何學及方向的人為控制[32]，F(xiàn)US可穿透顱骨聚焦于大腦特定部位達到神經(jīng)調(diào)控和熱消融等目的，有效避免開顱等操作帶來的風險，實現(xiàn)非侵入式治療。由于波長短（頻率1 MHz，對應(yīng)波長為1.5 mm）、聲束可聚焦等特點，F(xiàn)US 可將聲能精確地集中于毫米級局部范圍內(nèi)[31]。此外，超聲波是機械波，相對TMS而言，F(xiàn)US在技術(shù)上更易與磁共振配合同時使用[33]，增加LIFU治療的準確性和安全性。與目前常見的方法相比，LIFU 可以無創(chuàng)、可逆、準確、安全地對神經(jīng)進行調(diào)控，在神經(jīng)調(diào)控方面具有更大的優(yōu)勢。

5 總結(jié)與展望

對公眾來說，超聲波其實并不陌生。超聲波是臨床常見的影像檢查手段和物理治療方法，隨著相關(guān)研究的開展，LIFU 在神經(jīng)調(diào)控領(lǐng)域展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢和潛力。這也刷新對超聲波的認識。相比于目前常見的神經(jīng)調(diào)控方法，LIFU 調(diào)控具有無創(chuàng)、可逆、精準等優(yōu)點，其研究價值和臨床開發(fā)前景巨大。世界神經(jīng)調(diào)控學會2007年指出神經(jīng)調(diào)控是“在科技、醫(yī)療和生物工程相結(jié)合領(lǐng)域內(nèi)，通過植入性或非植入性技術(shù)，電或化學作用方式，對中樞神經(jīng)系統(tǒng)、周圍神經(jīng)系統(tǒng)和自主神經(jīng)系統(tǒng)鄰近或遠隔部位神經(jīng)元或神經(jīng)信號轉(zhuǎn)導發(fā)揮興奮、抑制或調(diào)節(jié)作用，從而達到改善患者生存質(zhì)量、提高神經(jīng)功能的目的”[34]。隨著LIFU 神經(jīng)調(diào)控技術(shù)的不斷成熟與發(fā)展，有必要重新審視神經(jīng)調(diào)控的方法，不斷豐富神經(jīng)調(diào)控的內(nèi)涵，提高其精確性和安全性，這也是研究LIFU 神經(jīng)調(diào)控的重大意義之一。