低強(qiáng)度經(jīng)顱超聲刺激調(diào)控大腦神經(jīng)研究進(jìn)展

李澤鈞，黎峰銘，陳鏡宇

(重慶醫(yī)科大學(xué)附屬兒童醫(yī)院超聲科 國(guó)家兒童健康與疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心兒童發(fā)育疾病研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 兒童發(fā)育重大疾病國(guó)家國(guó)際科技合作基地 兒科學(xué)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400014)

利用神經(jīng)調(diào)控技術(shù)(neural control technology， NCT)可獲得大腦神經(jīng)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(nèi)，如深部腦刺激，操作風(fēng)險(xiǎn)較高；而非侵入性NCT如經(jīng)顱直流電刺激及經(jīng)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(qiáng)度超聲指頻率>20 000 Hz、強(qiáng)度<100 W/cm2的聲波，可興奮或抑制神經(jīng)元活動(dòng)，且?guī)缀醪灰馃嵝?yīng)及組織損傷。根據(jù)超聲波頻率，低強(qiáng)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(jīng)顱神經(jīng)調(diào)節(jié)。

低強(qiáng)度經(jīng)顱超聲刺激(low intensity transcranial ultrasound stimulation， LITUS)為利用低強(qiáng)度聚焦超聲(low intensity focused ultrasound， LIFU)穿透顱骨調(diào)節(jié)神經(jīng)組織的技術(shù)，具有成本低、無(wú)創(chuàng)、時(shí)間和空間分辨率高、穿透性強(qiáng)及易于適應(yīng)閉環(huán)療法等優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)于其他腦部刺激方法，已獲得廣泛關(guān)注[2]。研究[3-4]證實(shí)，LIFU不僅能調(diào)控大腦皮層腦區(qū)，還可非侵入性刺激深部腦區(qū)。本文對(duì)近年LITUS調(diào)控大腦神經(jīng)的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)

1.1 正常模型 LITUS可引發(fā)神經(jīng)活動(dòng)、運(yùn)動(dòng)反應(yīng)及皮質(zhì)血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)[5-6]；不同參數(shù)LITUS作用于大腦不同部位可產(chǎn)生不同調(diào)控作用。XIE等[7]采用空間峰值脈沖平均聲強(qiáng)(intensity spatial peak pulse average， ISPPA)為1.10 W/cm2的LIFU照射正常小鼠初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層，發(fā)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)皮層與肌肉之間的耦合強(qiáng)度增強(qiáng)，并與聲脈沖群重復(fù)數(shù)(number of tone bursts， NTB)呈顯著正相關(guān)。既往研究[8]表明，以空間峰值時(shí)間平均聲強(qiáng)(intensity spatial peak time average， ISPTA)為20.00 W/cm2的LIFU刺激大鼠丘腦腹外側(cè)核能可逆性抑制體感誘發(fā)電位；以ISPPA為2.30、4.60 W/cm2的LIFU刺激大鼠下丘腦可抑制聽(tīng)覺(jué)誘發(fā)電位，且強(qiáng)度越大，抑制作用越明顯[9]。LITUS還可誘發(fā)特定行為，如以ISPPA為46.00 W/cm2的LIFU刺激小鼠初級(jí)體感皮層可誘發(fā)其原位動(dòng)作電位引起轉(zhuǎn)頭行為[1]。此外，HUANG等[10]證實(shí)，LITUS(ISPPA=7.20 W/cm2)可有效改變新生大鼠海馬神經(jīng)元的樹(shù)突結(jié)構(gòu)、電生理特性及神經(jīng)遞質(zhì)受體表達(dá)水平，可能原因在于LITUS可提高腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor， BDNF)表達(dá)而發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用[11]。

上述實(shí)驗(yàn)研究主要針對(duì)嚙齒動(dòng)物；以大型動(dòng)物如靈長(zhǎng)類(lèi)為研究對(duì)象，將更有利于LITUS的臨床轉(zhuǎn)化。DANIELS等[9]發(fā)現(xiàn)LITUS(ISPPA=2.30、4.60 W/cm2)能抑制豬的聽(tīng)覺(jué)皮層誘發(fā)電位。WATTIEZ等[12]以L(fǎng)IFU(ISPPA=1.90、5.60 W/cm2)刺激獼猴額葉眼動(dòng)區(qū)，發(fā)現(xiàn)其副視區(qū)活動(dòng)及40%神經(jīng)元活性明顯增強(qiáng)。此外，LITUS(ISPPA=29.50 W/cm2)還能引起獼猴初級(jí)體感皮層功能MRI(functional MRI， fMRI)信號(hào)明顯增強(qiáng)[13]。

1.2 疾病模型 多項(xiàng)研究[14-18]表明，LITUS可有效抑制神經(jīng)系統(tǒng)/精神疾病進(jìn)展，包括阿爾茨海默病、帕金森病及癲癇等。以L(fǎng)IFU(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(jí)運(yùn)動(dòng)皮層(M1)中的帕金森病重要生物標(biāo)志物水平[16-17]，可能與LITUS可激活離子通道活性、增強(qiáng)或抑制神經(jīng)元活性、進(jìn)而調(diào)節(jié)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)振蕩有關(guān)[19]。研究[18]證實(shí)，LITUS(ISPPA=0.70 W/cm2)可調(diào)節(jié)顳葉癲癇小鼠的海馬CA1區(qū)神經(jīng)振蕩，有效抑制癲癇發(fā)作、延長(zhǎng)癲癇潛伏期以及縮短癲癇發(fā)作持續(xù)時(shí)間。CHEN等[20]的研究結(jié)果同樣表明，LITUS(ISPPA=2.81 W/cm2)能夠干擾神經(jīng)元活動(dòng)，有效抑制急性癲癇動(dòng)物模型腦電圖的尖峰，且不影響大腦星形膠質(zhì)細(xì)胞正常表型或?qū)е履X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(yuǎn)期預(yù)后[21]。以特定頻率和強(qiáng)度的LIFU進(jìn)行干預(yù)可減少腦梗死病灶體積，減少神經(jīng)元凋亡[22]，提高BDNF表達(dá)[23]。BAEK等[24]以L(fǎng)IFU(ISPPA=2.56 W/cm2)刺激缺血性腦卒中小鼠的小腦外側(cè)核，發(fā)現(xiàn)其半球間平衡得到恢復(fù)，并減少了相關(guān)浦肯野細(xì)胞死亡。同樣，以L(fǎng)IFU(ISPPA=2.60 W/cm2)刺激缺血性腦卒中大鼠受損部位的皮層區(qū)域可降低腦組織受損程度、減少神經(jīng)元丟失，還能穩(wěn)定細(xì)胞膜Na+-K+-ATP酶、抑制細(xì)胞毒性水腫、改善神經(jīng)元功能及預(yù)后[25]，且越早施行LITUS保護(hù)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(yùn)動(dòng)反應(yīng)[26]，緩解小鼠抑郁樣行為[27]，調(diào)節(jié)衰老小鼠下丘腦功能，減少細(xì)胞凋亡，降低氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)[28]。

不同參數(shù)組合、輻照時(shí)間、輻照部位、甚至不同動(dòng)物模型均可能引發(fā)不同的神經(jīng)調(diào)控效應(yīng)。上述動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，LITUS所用頻率多為0.05～2.00 MHz，輻照時(shí)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(diào)控動(dòng)物大腦的最佳參數(shù)，有待進(jìn)一步研究。同時(shí)，LITUS對(duì)大腦神經(jīng)調(diào)控的作用機(jī)制迄今仍不明確，可能與其激活離子通道(如神經(jīng)細(xì)胞膜Na+-K+-ATP酶)、調(diào)節(jié)皮質(zhì)血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)及增加大腦BDNF表達(dá)有關(guān)[19]。

2 臨床研究

2.1 用于觀(guān)察健康人 LITUS可引發(fā)人腦神經(jīng)活動(dòng)和運(yùn)動(dòng)反應(yīng)。以L(fǎng)IFU(ISPPA=16.95 W/cm2)刺激健康人初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層，可增加其目標(biāo)腦區(qū)激活體積，且該激活體積在空間上主要限于運(yùn)動(dòng)皮層(M1)，不會(huì)擴(kuò)展至功能連接的運(yùn)動(dòng)區(qū)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(jí)運(yùn)動(dòng)皮層(ISPPA=17.12 W/cm2，輻照500 ms)，結(jié)果顯示LITUS能有效抑制人大腦神經(jīng)元。此外，LITUS(ISPPA=54.00 W/cm2，輻照2 min)用于健康人右側(cè)額下回可調(diào)控與情緒相關(guān)的功能特異性腦網(wǎng)絡(luò)，從而改善情緒[32]。

2.2 用于治療神經(jīng)系統(tǒng)/精神疾病 LITUS的聚焦程度和穿透深度可滿(mǎn)足精準(zhǔn)調(diào)節(jié)神經(jīng)的要求，且不會(huì)對(duì)正常組織造成熱損傷，因此，以L(fǎng)ITUS治療神經(jīng)系統(tǒng)/精神疾病越來(lái)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(zhì)，發(fā)現(xiàn)62.5%的患者認(rèn)知評(píng)分提高，87%精細(xì)運(yùn)動(dòng)評(píng)分提高，87.5%大體運(yùn)動(dòng)評(píng)分提高，同時(shí)部分海馬出現(xiàn)再生跡象。

3 安全性研究

LITUS用于臨床的關(guān)鍵在于其安全性。LITUS熱效應(yīng)弱，能在不損傷組織的情況下可逆性調(diào)節(jié)神經(jīng)活動(dòng)，即使暴露于聲束路徑的腦區(qū)也未見(jiàn)損傷[10,25]。LEGON等[30]發(fā)現(xiàn)LITUS用于大腦的安全性高于高頻經(jīng)顱超聲刺激。為避免對(duì)組織產(chǎn)生有害影響，美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局規(guī)定ISPPA應(yīng)<0.72 W/cm2，且多項(xiàng)研究[10,25,30]表明，該標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的超聲刺激安全性較高。另一方面，較高強(qiáng)度LITUS可能導(dǎo)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(jí)運(yùn)動(dòng)皮層后，部分受試者出現(xiàn)輕-中度頭頸部疼痛、嗜睡、肌肉抽搐及瘙癢等癥狀，數(shù)日后消失[31]。雖然目前尚未見(jiàn)有關(guān)LITUS引起病理變化的報(bào)道，但部分研究[31]結(jié)果仍顯示其存在一定安全問(wèn)題，且LITUS用于靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物或人類(lèi)的研究較少，對(duì)其安全性仍需深入觀(guān)察。

4 小結(jié)與展望

作為無(wú)創(chuàng)且具有廣闊應(yīng)用前景的神經(jīng)調(diào)控方法，LITUS兼具傳播方向性佳、聚焦效果好、穿透能力強(qiáng)和空間分辨率高等特點(diǎn)。LITUS可興奮或抑制動(dòng)物大腦神經(jīng)，且迄今尚未出現(xiàn)明顯安全性問(wèn)題，但其具體調(diào)控機(jī)制尚不清楚，未來(lái)可采用體外細(xì)胞培養(yǎng)方法進(jìn)一步探究。LITUS用于調(diào)控靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物及人類(lèi)大腦神經(jīng)的研究尚未成熟，在更好地開(kāi)展人體研究前，需評(píng)價(jià)其短期及長(zhǎng)期安全性，并針對(duì)不同疾病探究最佳強(qiáng)度、占空比、聲脈沖群重復(fù)頻率和輻照時(shí)間等參數(shù)。另外，既往多數(shù)研究?jī)H采用超聲定位大腦目標(biāo)，而NICODEMUS等[33]在fMRI引導(dǎo)下完成的臨床試驗(yàn)結(jié)果提示，fMRI與LITUS相結(jié)合、實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)靶向治療將是未來(lái)的研究方向。