近日，中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心研究員熊志奇團隊在《腦刺激》（Brain Stimulation）上發(fā)表題為Low-intensity ultrasound directly modulates neural activity of the cerebellar cortex的研究論文。該研究工作建立了從神經(jīng)元到動物行為水平衡量超聲神經(jīng)調(diào)控效應(yīng)的研究范式，利用雙光子活體鈣成像技術(shù)和陣發(fā)性運動障礙模型小鼠，發(fā)現(xiàn)低強度超聲對小腦皮層神經(jīng)活動具有直接興奮作用，提示了經(jīng)顱超聲作為一種新型的非侵入式神經(jīng)調(diào)控技術(shù)，具有潛在的應(yīng)用價值。

神經(jīng)調(diào)控技術(shù)是指運用聲、光、電、磁等手段對神經(jīng)活動進行人為操縱的方法。非侵入式的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)不僅可以輔助神經(jīng)科學(xué)的基礎(chǔ)研究，而且對腦機接口的轉(zhuǎn)化應(yīng)用和腦疾病的臨床干預(yù)具有重要作用。相較于傳統(tǒng)的經(jīng)顱磁刺激和經(jīng)顱電刺激，新興的經(jīng)顱聚焦超聲具有空間精度高和可特異作用于深部腦區(qū)等優(yōu)勢，被認為是下一代的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)。然而，盡管過往研究提示了超聲對大腦部分區(qū)域的神經(jīng)調(diào)控作用，超聲對小腦活動的調(diào)控潛力尚有待挖掘。另一方面，前人研究中存在的方法學(xué)局限性，在學(xué)界引起了關(guān)于超聲是否具有直接調(diào)控神經(jīng)活動的爭論。

熊志奇團隊利用雙光子活體鈣成像技術(shù)（圖A）發(fā)現(xiàn)低強度超聲可在清醒小鼠小腦顆粒細胞內(nèi)誘發(fā)快速響應(yīng)的鈣離子信號上升，且刺激結(jié)束后存在廣泛的持續(xù)效應(yīng)（圖C和圖D）。研究人員進一步發(fā)現(xiàn)多次重復(fù)的低強度超聲在浦肯野細胞中穩(wěn)定誘導(dǎo)了鈣離子濃度即時增加和刺激后持續(xù)效應(yīng)，且調(diào)控效率正向依賴于聲學(xué)劑量（圖E和圖F），而脫靶刺激未引起浦肯野細胞內(nèi)鈣離子的顯著改變。利用實驗室前期構(gòu)建的Prrt2基因突變型小鼠（圖B），研究人員發(fā)現(xiàn)經(jīng)顱超聲可重復(fù)誘導(dǎo)動物的運動行為改變（圖G）。

該研究利用雙光子活體鈣成像系統(tǒng)地檢測了小腦神經(jīng)元對低強度超聲的響應(yīng)模式，并提出了一種全新的超聲神經(jīng)調(diào)控行為學(xué)檢測范式，從超聲誘導(dǎo)的持續(xù)效應(yīng)、脫靶刺激下神經(jīng)元響應(yīng)的消除和小鼠運動行為的誘發(fā)三方面共同揭示了低強度超聲對小腦皮層的直接興奮作用。該工作為理解超聲神經(jīng)調(diào)控的作用機制提供了新的線索，擴展了以小腦為目標(biāo)靶點的非侵入式神經(jīng)調(diào)控技術(shù)工具集，對后續(xù)研究和轉(zhuǎn)化應(yīng)用具有積極推動作用。

相關(guān)研究工作得到科學(xué)技術(shù)部、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院和上海市的資助。

論文鏈接

圖（A）在小腦皮層進行同步超聲刺激和雙光子鈣成像。（B）Prrt2基因突變型小鼠在小腦氯化鉀刺激后出現(xiàn)運動障礙樣行為。（C和D）超聲誘導(dǎo)小腦顆粒細胞軸突末梢鈣信號上升。（E和F）超聲誘導(dǎo)小腦浦肯野細胞樹突鈣信號上升。（G）Prrt2基因突變型小鼠在小腦超聲刺激后出現(xiàn)運動行為改變。

來源： 腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心