经颅聚焦超声刺激(TUS)简介

2022-01-02 10:52
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什么是经颅聚焦超声刺激(Transcranial ultrasound stimulation,TUS/tFUS)?

经颅超声根据超声强度大小可以分为高强度聚焦超声(HIFU)和低强度聚焦超声(LIFU),而经颅超声刺激(Transcranial ultrasound stimulation)或者叫经颅聚焦超声刺激(Transcranial focused ultrasound stimulation)(通常缩写为TUS,tFUS或FUN), 利用低强度聚焦超声刺激大脑,是国际国内日益受到非常多关注的一种在人脑中非侵入性调节神经回路的令人兴奋的手段。经颅聚焦超声神经调节可以提供比经颅磁刺激 (TMS) 或经颅电刺激 (tES) 更高的空间分辨率和更深的刺激深度。

为什么经颅聚焦超声刺激(Transcranial ultrasound stimulation,TUS)比其他非侵入性脑刺激方法更准确?

经颅电刺激tES和经颅磁刺激TMS在可以应用的刺激的准确性和深度方面都存在固有的限制。例如,当应用经颅电刺激tES时,电流由颅骨"分流",这意味着刺激器施加的总电流中只有极少量实际到达大脑皮层中的所需部位。

虽然经颅磁刺激TMS技术确实提供了以合理的空间分辨率揭示神经过程时序的能力,但它也受到了刺激深度与刺激准确性之间相取舍的制约,即如果需要在大脑中更深处进行刺激则需要降低空间分辨率刺激更大范围的组织,如现有的很多深部刺激线圈,如H线圈和锥形线圈等都是通过刺激一大片脑区来实现对于更深部脑组织的刺激。

然而,经颅聚焦超声刺激TUS为神经调节提供了一种通过使用声学机制调节神经回路的全新方法。

经颅聚焦超声刺激TUS通过压电产生声波 —— 一种利用电流流过晶体并引起振动的技术 —— 这些振动产生的能量随后通过超声波换能器释放。

经颅聚焦超声刺激TUS换能器的形状使这种声能能够精确地聚焦到一个点空间,使声波能够聚焦在皮质表面以下前所未有的深度,而不会损失空间分辨率。声波在穿透生物组织时衰减较小,不会对非聚集组织产生副作用,所以该技术对于刺激通路上的颅骨,头皮,肌肉等组织的安全性更高,副作用更小。

经颅聚焦超声刺激(TUS)的应用和效果

经颅聚焦超声TUS能够准确定位皮层表面下方的位置,这使得大脑内感兴趣的新位点成为非侵入性脑刺激研究的合适候选者。在一项真实世界的例子中,TUS 使前扣带回皮层 (ACC)、丘脑和杏仁核的因果功能相关性得以研究。此类研究表明,ACC 参与表示尚未立即做出但将来可能做出的选择的区间值,以及这些表示是否用于在未来选择不同的选择。

此外,另一项应用40秒tFUS的研究发现了一种降低ACC与相互连接区域的连接模式的效应,在应用刺激后持续了大约一个小时。重要的是,功能磁共振成像(fMRI)测量的效果的空间分布与计算机断层扫描(CT)上估计声波**的空间点相对应。

当聚焦超声神经调节的声学焦点大致位于丘脑的腹后外侧 (VPL) 核的位置时,tFUS 的影响在脑电图 (EEG) 测量中也可以被观察到。当正中神经受到刺激时,EEG 的一个特定组成部分P14对 VPL 敏感。当 tFUS 应用于丘脑时,P14 的振幅降低:与 tFUS 可以刺激皮层表面深处部位的理论一致,其效果可以从头皮无创测量。

经颅聚焦超声刺激安全吗?

与所有非侵入性脑刺激方法一样,经颅聚焦超声刺激 (TUS) 确实对受试者有很小的潜在不良反应风险。可以在我们的 TUS 安全页面上找到对 TUS 的所有潜在副作用的深入探讨。

术语表 Glossary of Terms


Measure

Acronym

Description

Relevance

Spatial-peak pulse-average intensity

Isppa

At the spatial peak of intensity, the average intensity during the pulse on-time.

Mechanical bioeffects

Spatial-peak temporal-average intensity

Ispta

At the spatial peak of intensity, the average intensity during a temporal window (e.g., across a burst; across the whole experiment).

Thermal bioeffects

Thermal dose in cumulative equivalent minutes

CEM43

This measure accounts for both temperature rise and length of stimulation.

Thermal bioeffects

Thermal index

TI

Represents the acoustic power in relation to the power needed to heat the medium by 1°C.

Thermal bioeffects

Thermal index for cranial bone

TIC

An adjusted measure of TI for when the transducer is proximal to the skull.

Thermal bioeffects

Mechanical index

MI

Reflects the probability of acoustic cavitation.

Mechanical bioeffects

Pressure (peak instantaneous)

p

Peak instantaneous pressure.

Mechanical bioeffects





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