文章学习---经颅聚焦超声（tFUS）调节人体初级体感皮层的活动

文章链接：https://www.nature.com/articles/nn.3620

本文章探讨了针对人体初级体感皮层（S1）的经颅聚焦超声对感觉诱发的大脑活动和感觉辨别能力的影响。tFUS（transcranial focused ultrasound）作为一种潜在的非侵入性神经调节方法，其机制可能与超声对细胞膜和离子通道的机械压力效应有关。超声（US）对神经活动的直接调节作用早在1929年就被发现，但此前未在人类完整脑回路中进行过测试。

研究方法

实验设计：研究采用单元素聚焦超声换能器，频率为0.5MHz，直径30mm，焦距30mm。招募10名健康志愿者（5男，5女）。被试坐着需要注视屏幕上的固定十字。从10-20 EEG电极位点CP3共传递了120个超声波形，超声波形之间的间隔（ISI）为6s，正随机化4s。

tFUS刺激条件：将超声换能器的活动面通过超声凝胶与头皮的EEG位置CP3处声学耦合。假刺激组是将换能器倒置耦合到头部CP3位置，使得换能器的非活动面接触头皮，但超声波能量不会传输到头部。每个被试的真假刺激顺序是随机的，总采集时间约1小时。

tFUS超声波束参数：通过水听器测量超声束在自由空间和通过人颅骨后的声压场，发现颅骨对超声束的传输有一定影响，但不会阻碍经颅聚焦。使用一个双通道、2-MHz的函数发生器来生成tFUS波形，通道1设置为以1kHz的脉冲重复频率（PRF）发送超声；通道2设置为以0.5MHz的声频Af驱动换能器。脉冲持续时间PD = 0.36ms，刺激持续时间通过调整通道1上的脉冲数np = 500来设置。产生0.5s的刺激持续时间，峰值压力为0.8MPa，机械指数为1.13，在头皮额经颅传输前的空间峰值脉冲平均强度为23.87W/cm2.

tFUS定位：将tFUS束定位到左侧S1，通过EEG电极点CP3垂直于头皮传输。使用有限元方法（FEM）生成人头模型，以可视化tFUS束在大脑中的位置。

EEG采集：使用BP采集EEG的四个电极C3、CP1、CP5、P3，参考放置左侧乳突，接地位于左侧尺骨茎突，阻抗<5KΩ，在线滤波（DC-200Hz），1000Hz采样。

感觉诱发电位（SEPs）：通过正中神经刺激引发SEPs，使用0.2ms方波脉冲，由SD-9刺激器驱动，通过固定在手腕上的条形电极传递，刺激强度以引起拇指轻微抽动，刺激以6s的间隔和4s随机化。

实验结果

超声束特性：tFUS在自由空间中的横向和纵向空间分辨率分别为4.9mm和18mm。通过颅骨后，声压场强度下降约4倍，但颅骨可能对超声束有聚焦效应，增强了空间分辨率。

tFUS对S1的定位：tFUS束在大脑中产生两个明显的声场强度最大值，一个在中央后回的顶部，另一个在中央沟后壁。

tFUS对感觉诱发脑活动的影响：与假刺激相比，tFUS显著降低了短潜伏期和晚发性SEP复合体的峰峰振幅，包括N20-P27、N33-P27等。此外，tFUS还显著降低了EEG中α带（7-12Hz）、β带（13-30Hz）和γ带（30-55Hz）的功率。

tFUS对感觉辨别能力的影响：在两点辨别任务中，tFUS刺激组的被试能够区分更近距离的针刺；在频率辨别任务中，tFUS组的被试能够更好地区分小频率差异。这些结果表明tFUS增强了感觉辨别能力，而没有影响注意力或反应偏倚。

tFUS的空间特异性：当tFUS束偏离S1为1cm时（前移或后移），对SEP复合体振幅和EEG活动光谱能量的影响消失，表明tFUS的空间分辨率较高。

关键结论：

1. tFUS可以非侵入性地调节人类大脑皮层的功能，具有较高的空间分辨率，优于传统的TMS或TDCS。
2. tFUS能够调节感觉诱发的大脑活动，并增强感觉辨别能力，而不会引发起热或机械感觉。
3. tFUS的生理机制可能与超声对神经元活动的局部抑制作用有关，这种抑制作用可能通过减少皮层兴奋的空间扩散来改善触觉刺激的皮层表征。
4. tFUS在非侵入性调节人类大脑回路方面具有潜力，可能为神经科学研究和脑部疾病治疗提供新的方法。