關于低強度超聲直接調控小腦皮層神經活動的研究

近日，中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心研究員熊志奇團隊在《腦刺激》（Brain Stimulation）上發表題為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元到動物行為水平衡量超聲神經調控效應的研究范式，利用雙光子活體鈣成像技術和陣發性運動障礙模型小鼠，發現低強度超聲對小腦皮層神經活動具有直接興奮作用，提示了經顱超聲作為一種新型的非侵入式神經調控技術，具有潛在的應用價值。

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

熊志奇團隊利用雙光子活體鈣成像技術（圖A）發現低強度超聲可在清醒小鼠小腦顆粒細胞內誘發快速響應的鈣離子信號上升，且刺激結束后存在廣泛的持續效應（圖C和圖D）。研究人員進一步發現多次重復的低強度超聲在浦肯野細胞中穩定誘導了鈣離子濃度即時增加和刺激后持續效應，且調控效率正向依賴于聲學劑量（圖E和圖F），而脫靶刺激未引起浦肯野細胞內鈣離子的顯著改變。利用實驗室前期構建的Prrt2基因突變型小鼠（圖B），研究人員發現經顱超聲可重復誘導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地檢測了小腦神經元對低強度超聲的響應模式，并提出了一種全新的超聲神經調控行為學檢測范式，從超聲誘導的持續效應、脫靶刺激下神經元響應的消除和小鼠運動行為的誘發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調控的作用機制提供了新的線索，擴展了以小腦為目標靶點的非侵入式神經調控技術工具集，對后續研究和轉化應用具有積極推動作用。

相關研究工作得到科學技術部、國家自然科學基金委、中國科學院和上海市的資助。