超声神经调控技术与科学仪器

黎国锋，邱维宝，钱明，孟龙，赵慧霞，牛丽丽，蔡飞燕，严飞，郑海荣＊

（中国科学院 深圳先进技术研究院 生物医学与健康工程研究所，深圳 518055）

超声神经调控技术与科学仪器

黎国锋，邱维宝，钱明，孟龙，赵慧霞，牛丽丽，蔡飞燕，严飞，郑海荣＊

（中国科学院 深圳先进技术研究院 生物医学与健康工程研究所，深圳 518055）

认识大脑是新世纪的重大科学任务。理解脑功能疾病的发病机制和发明新的治疗技术已成为科学界的紧迫任务。神经调控技术是开展神经科学研究与神经系统疾病临床治疗的基本手段。本文对多种模态的神经调控方法进行综述，重点阐述超声脑神经调控技术的发展历程、技术原理、仪器研制和应用优势，并讨论超声脑刺激科学仪器的发展前景。

神经调控；超声；超声脑刺激

郑海荣，中国科学院深圳先进技术研究院研究员、博士生导师，中国科学院深圳先进技术研究院副院长。主要学术研究方向：多功能超声，医学成像仪器、神经调控技术。在PNAS、APL、IEEE Trans.等期刊上发表SCI收录学术论文110余篇，授权专利40余项，研发的多项专利技术实现了产业化。国家杰出青年科学基金获得者、国家973首席科学家、陈嘉庚青年科学奖获得者、国家科技创新领军人才、国家重大科研仪器研制项目负责人。

前言

随着社会的发展变迁以及人类老龄化程度逐年加剧，抑郁症、帕金森病和癫痫等脑功能疾病越来越普遍，已经引起国际神经科学家以及临床医生的广泛关注。我国人口基数庞大，这些脑功能疾病患者的数量高达数千万人，已经成为我国沉重的经济负担和社会问题。但是，目前人们对功能性脑疾病的确切机理仍不清楚，并缺乏有效的治疗措施。 因此，深入开展对脑功能疾病的发病机制探索和发展先进的干预与治疗技术是科学界的紧迫任务。

2012-2013年间，欧盟推出了“人脑计划”[1]，而美国推出了“脑活动图谱计划”[2]，美国与欧盟不约而同把探索人类大脑工作机制作为未来科研重点，投入大笔资金开展研究。2014年，中国科技部也多次召开会议进行深入研讨，思考我国脑科学研究的发展思路及前瞻性布局。

研究表明[3-5]， 功能性脑疾病的发生与大脑内特定的“皮质-基底神经节大脑环路”功能障碍有关，刺激相应的靶点可通过相应的回路引起皮质和下行纤维改变从而减轻或治愈症状。因此，人工神经核团刺激与环路调控技术被广泛认为是神经科学研究和神经工程与临床应用的重要工具。过去30年，出现了多种开创性的神经调控方法，包括经颅磁刺激、经颅电刺激和经颅超声刺激（如图1）等非侵入式方法，以及电极深部脑刺激、光感基因和红外神经刺激等侵入式方法[6]。

1 超声神经调控技术

1.1 主流神经调控技术

继1870年德国科学家报道了电刺激犬的大脑皮层可引发特定的躯体反应之后的 100 多年里，电、磁、光等技术与神经科学相结合产生了深部脑电刺激、磁刺激、光基因调控等神经刺激与调控技术[7]。

电极深部脑刺激(Deep Brain Stimulation， DBS)是将电极植入脑内特定神经核团靶点，通过可控的高频电流刺激调控靶点细胞的异常神经功能，达到有效干预和治疗疾病的目的。虽然迄今为止 DBS 技术实现神经刺激的具体机制仍然不完全明确，但是该技术已成为目前唯一能够与大脑深部直接接触并干预大脑活动、用于治疗大脑疾病的技术手段。自1987 年首次被用于震颤的控制以来，全世界共有 10 多万名患者植入了 DBS 装置，为众多难治性的脑疾病如帕金森病、抑郁症、难治性癫痫、 肌张力失调、顽固性疼痛、强迫症等提供了一种有效的干预方法。但是，DBS 的应用也存在着手术创伤和刺激靶点改变不灵活的局限[8-10]。

经颅直流电刺激（transcranial direct current stimulation，tDCS），通过两个经盐水浸湿的头皮贴附电极片向颅内特定区域输入恒定电流，改变大脑表面神经元膜电位的去极化或超极化方向，从而改变自发神经活动的皮质兴奋性。该技术虽然具有非侵入式优点，但却具有刺激空间分辨率不高、穿透深度太浅的不足。

经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation，TMS)技术是无创的神经调控技术[11]，它由放置于头皮上的磁性线圈产生的瞬时、高压脉冲产生一个垂直于线圈平面的磁场域，作用于大脑组织并产生感应电流，使神经细胞去极化并产生诱发电位。该技术可以用于评价神经电生理传导通路，并尝试用于抑郁症、癫痫、中风、精神分裂症、自闭症等疾病的神经康复治疗。然而，TMS 技术存在刺激的深度浅和空间分辨率低的缺点。

光遗传学技术(Optogenetics)，利用不同波长的激光实现对细胞水平的兴奋性或者抑制性调控，有力地推动了神经科学的发展。但是，光遗传学技术需要通过病毒转染和有创的光纤植入手术操作实现，目前仅用于神经科学小动物模型实验研究，难以应用于临床脑疾病治疗。

1.2 超声神经调控技术的发展

超声波做为一种机械波，由物体(声源)振动产生，并通过压缩和膨胀媒质实现在气体、液体或者固体中传播。超声波具有波动效应、力学效应和热效应等三大基本物理效应。尽管超声调控技术近年来才倍受神经科学领域学者关注，但超声波在生物医学领域的应用却已时间久远。过去的七十多年间，分别基于超声波动效应和热效应的超声成像诊断技术和高强度聚焦超声热消融治疗技术已被广泛应用。然而，主要基于力学效应的超声神经调控应用更是早在20世纪20年代已经出现。

早在20世纪20年代，学者发现用超声辐射蛙的坐骨神经，可引起腓肠肌的微小颤动，并且对心跳有显著影响[13]。随后，佛莱兄弟及其同事在探索先进的超声仪器及应用过程中，开创性地发现超声可以可逆地调控猫的视觉诱发电位（VEPs）[13]。此后的五十多年，大部分的超声刺激研究都集中在超声作用于外周受体和神经的效应，包括超声引起触觉、温觉、痛觉和听觉[14-15]的效应。例如，用125-8000Hz的人耳可闻频率信号幅度调制超声载波并直接照射人的耳蜗，可引起听觉[16]。该结果直观表明可闻声波频率调制的辐射力可能是产生神经调控效应的原因[14]。

另一研究小组主要关注对脑兴奋的大规模超声调控应用。Koroleva[17]等学者采用超声脉冲（50-100ms）作用于大鼠的大脑皮层、丘脑、海马和尾状核，发现脉冲超声刺激可引起稳定的负电位偏移和扩散性抑制，偶尔会诱发抽搐放电。Velling 和 Shklyaruk[18]采用低强度聚焦超声脉冲（1-100mW/ cm2）刺激猫和兔子的颞叶、感觉运动和顶骨皮层，发现脑皮层电信号（ECoG）幅度会随着刺激强度和脉冲重复频率的变化而变化（较低的刺激强度和频率可引起脑皮层电信号幅度增加）。此外，聚焦超声可调控光诱发电位和电刺激运动皮层的阈值。

基于鼠类的研究，虽然有利于发展超声神经调控方法，但却受限于颅骨内易形成驻波[18]和实验结果易受动物麻醉影响的缺点，基于非人灵长类动物和人类开展超声神经调控研究可不受上述缺点制约，且更有助于临床应用转化。Deffieux[21]率先开展了超声调控猕猴的研究，低强度超声作用于执行视觉任务的猕猴的前额眼区。实验展示了320kHz超声脉冲可瞬时显著地调控对侧视野的反眼跳潜伏期，减慢眼动速度，表明超声可干扰经过前额眼区实现视觉搜寻的处理过程。

随后，Tyler 和 Yoo团队展示了应用聚焦超声调控人的初级感觉皮层（S1）的研究[22-24]。Legon、Mueller及其同事发现将 500kHz的聚焦超声（Isppa 23.87W/cm2）作用于S1后，导致感觉诱发电位和固有脑电信号的幅值变低和频谱成分改变。此外，超声刺激S1可改善感觉辨别任务的表现，而不会影响执行任务的注意力和反应误差。Lee小组采用聚焦超声刺激人的感觉皮层，并引起不同肢体区分的感觉，证明了聚焦超声对正中神经刺激可激发感觉诱发电位。

相对啮齿动物，猴子或者人的颅骨对超声的衰减作用会更大。猕猴颅骨对超声具有约42%（～4dB）的衰减[21]，而人脑颅骨的超声衰减可达～6dB。Lee小组结合CT和MRI成像技术以及声学仿真模型，实施对穿颅超声声场的评估，减少不同刺激个体因颅骨和神经解剖结构不同而造成的刺激差异。该小组最近对羊的初级感觉皮层和视觉皮层的超声刺激研究表明，超声强度与因刺激产生的动作诱发电位和视觉诱发电位均存在较大的个体差异。

中国科学院深圳先进技术研究院的超声神经调控研究团队，在国内率先开展了基于细胞、线虫、小动物和猴子的超声神经调控研究，并取得初步的研究成果[25]。

1.3 超声神经调控技术的优势

超声神经调控采用超声波做为刺激能量的传播载体，其波动能量能有效穿透不同深度的生物组织（包括颅骨）。结合多阵元超声换能器以及相控阵技术，超声波的传播路径以及聚焦效果可被精确调控，超声能量能够在一定程度上集中作用于指定的生物组织。中国科学院深圳先进技术研究院在国际上首次提出面阵列超声深脑刺激技术与仪器系统，如图2a展示了该系统的面阵超声辐射力发生器示意图。此外，结合磁共振成像（如图2b）或者超声成像技术，可实现图像引导的超声神经刺激应用。因此超声神经刺激相对于其他传统的电、磁、光神经刺激技术，具有穿透深度大、靶点控制便捷、无创以及可图像引导等优点。

2 超声神经调控技术的应用领域

2.1 神经科学研究

神经刺激和调控技术本质上是通过调控不同类型的离子通道，改变神经元的细胞膜电位，进而改变其功能状态以及神经递质的释放，从而在宏观上实现神经环路和功能网络的有效调控。尽管超声神经调控技术已经在细胞、小动物以及人上展开应用，但其确切调控机制尚未被完全了解。因此，超声神经调控的原理研究仍需持续开展。例如，探索中枢神经系统中哪些离子通道对超声波辐射敏感。研究不同的超声参数（中心频率、脉冲重复频率、脉冲持续时间和能量强度等）对神经调控效果的影响（兴奋或者抑制）。

此外，超声神经调控做为新颖的无创刺激调控手段，可为神经系统研究提供干预因素或者动物疾病模型。例如，超声波刺激离体脑片或者在体颅脑，有助于诱发癫痫模型。

2.2 神经假体

超声波神经调控技术至少可在听觉和视觉的神经假体中应用。Tsirulnikov团队用可闻声波信号幅度调制超声载波并直接照射人的耳蜗，可引起听觉[16]，表明超声神经调控技术有望应用于助听器等类型的产品。

Menzet等研究人员使用频率为43MHz的超声作用在蝾螈离体视网膜组织上，他们发现视网膜对超声的开启与关闭均产生反应，并且视网膜的放电频率以及延迟时间随超声强度的增加而增加。Naor 团队发现超声波刺激麻醉大鼠视网膜可诱发大脑皮层产生电位，该视觉诱发电位可通过在眼睛玻璃体腔内注射河豚毒素被抑制或明显减弱[26]。目前，如图3所示，中国科学院深圳先进技术研究院的超声神经调控团队，率先采用频率为2.25MHz的低频超声波开展了大鼠视网膜的离体和在体的刺激研究。初期的研究结果表明，低频聚焦超声波辐射离体视网膜可诱发特定神经细胞发放不同类型的动作电位。这些研究表明，使用超声波在体刺激视网膜的方法，有望实现视觉假体。

2.3 临床疾病治疗

动物实验表明经颅超声波可提高脑源性神经营养因子的水平和促进海马神经形成，并且可通过增强血脑屏障的通透性来增加血清脑源性神经营养因子的供应，这些改变均有助于治疗抑郁症，因此超声波有望用于治疗抑郁症[27]。此外，癫痫症状通常被认为是颅内脑区异常同步放电所致，通过抑制脑区放电或者打破异常同步放电的状态，有望抑制或者缓解癫痫症状的发作[28]。因此，通过适当调节超声波辐射的靶点位置和参数值，便有望使用超声波调控癫痫症状。类似地，超声波神经调控技术同样有望继承深脑电刺激(DBS)技术用于干预治疗帕金森病。

3 超声脑刺激系统的发展

3.1 超声刺激模式的多样性满足多尺度的神经调控需求

超声波可由不同参数的超声换能器产生，其中心频率、能量强度、脉冲变化规律、能量传导方式以及照射靶点区域的大小均可被灵活调节。上述优点，决定了超声神经调控可被广泛应用于对细胞、脑片、线虫、昆虫、啮齿动物、兔子、犬、羊、非人灵长动物以及人类的研究。因此，超声神经调控技术可满足从机制探索到脑功能疾病的临床干预治疗的多尺度需求。虽然超声神经调控技术已被相关研究人员广泛关注，但是用于超声神经调控的实验系统却发展缓慢。早期的超声神经调控实验装置通常由体积庞大的分立仪器搭建而成，例如采用函数信号发生器、射频功率放大器和常规尺寸的超声换能器搭建单振元超声刺激平台。这些组合搭建的实验平台具有操作流程复杂、实验参数评估困难的不足，不利于超声神经调控技术在神经科学和临床试验领域的广泛应用。为了促进超声神经调控技术的推广，中国科学院深圳先进技术研究院超声神经调控团队结合自身及同行开展超声神经调控以及研发高端仪器的经验，研制了便携式超声脑刺激系统（如图4）、声表面波操控系统（如图5）[29]和阵列式超声脑刺激系统（如图6）[30]。这些系统已经被应用于十多个实验室，将助力国内外的神经科学研究小组更快地开展超声神经调控研究。

3.2 多点动态刺激技术

神经系统在执行任务时，通常需要多个脑区和核团的协同工作。如果仅使用单个小型单振元超声探头，难以实现对多个脑区或核团施加刺激，同时容易使组织因长时间辐射而局部损伤。通过阵列探头和相控阵波束合成技术，可实现对穿颅超声的路径和强度做精确计算，从而实现对超声刺激靶点的多点精确定位，并有效降低非靶点区域被照射损伤的几率。

3.3 融合磁共振成像功能

基于磁共振成像技术，可实现对实验对象的解剖结构成像、位移场检测、温度监测和脑功能成像等功能，这些功能将有助于原位评估超声神经调控的作用效果及安全性。例如，磁共振弹性成像技术，通过磁共振相位对比技术检测组织的微小位移，间接计算声场的颅内分布参数，进而实现对聚焦超声焦斑所在位置和范围的检测。磁共振血氧水平依赖脑功能成像，通过检测具有顺磁性的脱氧血红蛋白的含量和血流量增加带来的抗磁性的氧合血红蛋白含量比例的变化，判断脑区被超声辐射而激活或抑制的状态。设计超声神经调控系统时，使用经严格筛选磁共振兼容的材料来加工超声换能器及其附属配件，严格设置刺激系统的空间布局，从而实现超声刺激系统的磁共振兼容功能。图7 展示了充分结合磁共振成像优势的基于超声辐射力的深脑刺激与神经调控仪器，该仪器目前正由中国科学院深圳先进技术研究院研发，据报道尚属世界首台大型超声神经调控仪器。

3.4 可穿戴系统

对癫痫和帕金森等疾病的治疗，常需要突发或者长期的神经调控干预。如果超声神经调控系统被设计成便携可穿戴的结构，则有助于为相关疾病提供及时有效的干预和治疗手段。超声神经调控具有很高的时间分辨率，结合可穿戴设计的超声辐射装置和具有病症预测功能的闭环控制系统，便可实现应用前景广阔的实时无创神经调控系统。图8展示了中国科学院深圳先进技术研究院研究团队对小鼠开展头戴超声脑刺激实验的照片。

4 结语

超声神经调控技术是一项源远流长而尚待深入研究的神经干预技术，主要通过超声波携带动量对生物组织产生作用力，实现实时、无创的多点深脑刺激与神经调控功能。超声神经调控技术可广泛应用于神经科学研究、神经工程假体研发和脑功能疾病的临床治疗等领域。

[1] Human Brain Project, Framework Partnership Agreement, https://www.humanbrainproject.eu/documents/10180/538356/ FPA++Annex+1+Part+B/41c4da2e-0e69-4295-8e98-3484677d661f.

[2] Alivisatos A P, Chun M Y, Church G M,et al. The Brain Activity Map Project and the Challenge of Functional Connectomics[J]. Neuron, 2012, 74(6): 970-974.

[4] Underwood E. Short-Circuiting Depression[J]. Science, 2013, 342(6158): 548-551.

[3] Okun M S. Deep-Brain Stimulation - Entering the Era of Human Neural-Network Modulation[J]. New England Journal of Medicine,2014, 371(15): 1369-1373.

[5] Shen H L. Tuning THE BRAIN[J]. Nature, 2014, 507(7492): 290-292.

[6] Naor O, Krupa S, Shoham S. Ultrasonic neuromodulation[J]. Journal of Neural Engineering, 2016, 13(3).

[7] Lewis P M, Thomson R H, Rosenfeld J V,et al. Brain Neuromodulation Techniques: A Review[J]. Neuroscientist, 2016, 22(4): 406-421.

[8] Mayberg H S, Lozano A M, Voon V,et al. Deep brain stimulation for treatment-resistant depression[J]. Neuron, 2005, 45(5): 651-660.

[9] Fasano A, Aquino C C, Krauss J K,et al. Axial disability and deep brain stimulation in patients with Parkinson disease[J]. Nature Reviews Neurology, 2015, 11(2): 98-110.

[10] Ressler K J, Mayberg H S. Targeting abnormal neural circuits in mood and anxiety disorders: from the laboratory to the clinic[J]. Nature Neuroscience, 2007, 10(9): 1116-1124.

[11] Goetz S M, Luber B, Lisanby S H,et al. Enhancement of Neuromodulation with Novel Pulse Shapes Generated by Controllable Pulse Parameter Transcranial Magnetic Stimulation[J]. Brain Stimulation, 2016, 9(1): 39-47.

[12] Harvey E N. The effect of high frequency sound waves on heart muscle and other irritable tissues[J]. American Journal of Physiology, 1929, 91(1): 284-290.

[13] Fry F J, Ades H W, Fry W J. Production of Reversible Changes in the Central Nervous System by Ultrasound[J]. Science, 1958, 127(3289): 83-84.

[14] Bystritsky A, Korb A S, Douglas P K,et al. A review of lowintensity focused ultrasound pulsation[J]. Brain Stimulation, 2011, 4(3): 125-136.

[15] Gavrilov L R, Tsirulnikov E M. Focused ultrasound as a tool to input sensory information to humans (Review)[J]. Acoustical Physics, 2012, 58(1): 1-21.

[16] Tsirulnikov E M, Vartanyan I A, Gersuni G V,et al. Use of Amplitude-Modulated Focused Ultrasound for Diagnosis of Hearing Disorders[J]. Ultrasound in Medicine and Biology, 1988, 14(4): 277-285.

[17] Koroleva V I, Vykhodtseva N I, Elagin V A. Cortical and Subcortical Spreading Depression in Rats Produced by Focused Ultrasound[J]. Neurophysiology, 1986, 18(1): 43-48.

[18] Velling V A, Shklyaruk S P. Modulation of the functional state of the brain with the aid of focused ultrasonic action[J]. Neurosci Behav Physiol, 1988, 18(5): 369-75.

[19] Younan Y, Deffieux T, Larrat B,et al. Influence of the pressure field distribution in transcranial ultrasonic neurostimulation[J]. Medical Physics, 2013, 40(8).

[20] King R L, Brown J R, Newsome W T,et al. Effective parameters for ultrasound-induced in vivo neurostimulation[J]. Ultrasound in Medicine and Biology, 2013, 39(2): 312-331.

[21] Deffieux T, Younan Y, Wattiez N,et al. Low-intensity focused ultrasound modulates monkey visuomotor behavior[J]. Current Biology, 2013, 23(23): 2430-2433.

[22] Legon W, Sato T F, Opitz A,et al. Transcranial focused ultrasound modulates the activity of primary somatosensory cortex in humans[J]. Nature Neuroscience, 2014, 17(2): 322-329.

[23] Mueller J, Legon W, Opitz A,et al. Transcranial focused ultrasound modulates intrinsic and evoked EEG dynamics[J]. Brain Stimulation, 2014, 7(6): 900-908.

[24] Lee W, Kim H, Jung Y,et al. Image-guided transcranial focused ultrasound stimulates human primary somatosensory cortex[J]. Scientific Reports, 2015, 5.

[25] Li G F, Zhao H X, Zhou H,et al. Improved Anatomical Specificity of Non-invasive Neuro-stimulation by High Frequency (5 MHz) Ultrasound[J]. Scientific Reports, 2016, 6.

[26] Naor O, Hertzberg Y, Zemel E,et al. Towards multifocal ultrasonic neural stimulation II: design considerations for an acoustic retinal prosthesis[J]. Journal of Neural Engineering, 2012, 9(2).

[27] Tsai S J. Transcranial focused ultrasound as a possible treatment for major depression[J]. Medical Hypotheses, 2015, 84(4): 381-383.

[28] Yang T H, Chen J N, Yan B,et al. Transcranial ultrasound stimulation: A possible therapeutic approach to epilepsy[J]. Medical Hypotheses, 2011, 76(3): 381-383.

[29] Meng L, Cai F Y, Chen J J,et al. Precise and programmable manipulation of microbubbles by two-dimensional standing surface acoustic waves[J]. Applied Physics Letters, 2012, 100(17).

[30] Qiu W B, Wang C Z, Li Y C,et al. A scanning-mode 2D shear wave imaging (s2D-SWI) system for ultrasound elastography[J]. Ultrasonics, 2015, 62: 89-96.

Ultrasonic Neuromodulation Technology and Scienti fi c Equipment

Li Guofeng, Qiu Weibao, Qian Ming, Meng Long, Zhao Huixia, Niu Lili, Cai Feiyan, Yan Fei, Zheng Hairong*
( Institute of Biomedical and Health Engineering, Shenzhen Institutes of Advanced Technology, Chinese Academy of Sciences, Shenzhen 518055)

To explore the pathogenesis and therapeutic methods of functional brain diseases has become an urgent task in scientific research. Neuromodulation technologies are the fundamental methods for neuroscience researches and clinical applications. Here, the current neuromodulation technologies, especially the development and application advantages of ultrasonic neuromodulation technology, were reviewed. Meanwhile, the development prospects of the ultrasonic brain stimulation systems were also discussed.

Neuromodulation; Ultrasound; Ultrasonic Brain Stimulation

TB559

A

10. 11967/2017150101

TB559

A DOI：10. 11967/ 2017150101

基金支持：国家重大科研仪器研制项目（81527901），基于超声辐射力的深部脑刺激与神经调控仪器研制。作者简介：黎国锋，博士研究生，研究方向：超声神经调控。

⋆通讯作者介绍：郑海荣，中国科学院深圳先进技术研究院研究员、博士生导师，Email: hr.zheng@siat.ac.cn。