无创脑部治疗的新领域

探索经颅超声刺激精确定位和无创治疗脑回路疾病的潜力。

学习： 经颅超声作为精密脑接口的未来。图片来源：Josh Namdar/Shutterstock.com

在最近发表的一篇评论中 公共科学图书馆生物学一组作者探索了经颅超声刺激 (TUS) 如何发展成为一种精确的、非侵入性的大脑接口，用于诊断和治疗神经系统疾病。

背景

精神、发育和神经性脑部疾病影响着全球四分之一的人，带来了巨大的社会和经济负担。

虽然大脑结构异常可以通过成像来识别，但功能映射要复杂得多。目前的干预方法，例如植入物或局灶性病变，是侵入性的并且缺乏可扩展性。

具有高空间分辨率的无创神经调节技术可以通过精确评估和空间知情干预来提供对大脑回路的重要见解。 TUS 提供了一种很有前途的解决方案，将准确性与可逆性结合起来，可以统一各种疾病的治疗方法。需要进一步的研究来完善和临床验证这种方法。

神经调节对无创精确度的需求

由于大脑疾病通常涉及神经回路的细微破坏，因此迫切需要具有高空间分辨率的非侵入性、可逆神经调节技术。理想情况下，这种技术将使研究人员和临床医生能够测量大脑活动，准确评估和干预功能失调的区域。

TUS 提供了一种潜在的解决方案，通过头骨将聚焦超声波传送到特定的大脑区域，从而实现多部位靶向神经调节。这种方法通过将高精度与超声波的非侵入性相结合，可以促进各种脑部疾病的广泛应用。

结构和功能映射的进展

神经影像学的最新进展提高了我们对大脑结构和功能异常的理解。磁共振成像 (MRI) 等技术可以实现毫米级分辨率的大脑解剖结构的详细可视化，这对于诊断和规划帕金森病等疾病的治疗非常有用。

功能性 MRI (fMRI) 进一步能够跟踪血氧水平（神经活动的代表），使研究人员能够识别活动水平或连接异常的区域。

然而，精确的神经调节技术对于完善脑部疾病模型和创建预测模型至关重要。这些技术使科学家能够测试有关致病神经回路及其在不同条件下的作用的假设。

传统神经调节方法：局限性和挑战

目前的神经调节方法，如深部脑刺激（DBS）、经颅磁刺激（TMS）和经颅直流电刺激（tDCS），均具有固有的局限性。 DBS 虽然有效，但需要侵入性手术，这会带来感染和硬件并发症等风险。

TMS 和 tDCS 等非侵入性选择更安全，但缺乏精确性，并且可能只能到达浅层皮质区域。此外，当这些方法与神经影像相结合时，兼容性问题可能会扭曲数据，从而难以实现精确的大脑绘图和安全干预。

TUS：革命性的精准神经调节技术

TUS 正在成为一种有前途的脑刺激非侵入性替代方案，能够产生高度聚焦的超声波场，穿透颅骨并选择性地瞄准特定的大脑区域。该技术的空间精度可与 DBS 等侵入性方法相媲美，同时提供风险较小的方法。

通过提供超声波能量，TUS 可以安全、可逆地调节大脑特定部位的神经活动，有可能针对不同的神经回路甚至特定的细胞类型。这使得 TUS 成为治疗多种脑部疾病的一个令人信服的选择，因为它结合了诊断能力和治疗干预潜力。

TUS 的作用机制和生物物理基础

TUS 通过细胞膜的机械位移（通过传递波的周期性压缩或通过累积变形）影响脑组织。这些物理力激活离子通道，影响神经元的兴奋性和功能。

此外，聚焦超声波可以引起脑组织的温度变化，影响神经元活动和膜特性。

通过了解这些机制，研究人员可以优化 TUS 方案，以最大限度地提高治疗效果，同时最大限度地降低风险，从而为神经调节提供比电刺激更可控的方法。

TUS的临床应用：大脑搜救工具

除了基础研究之外，TUS 作为临床工具还具有巨大的潜力。初步研究表明，TUS 可以通过精确定位功能失调区域来有效治疗各种疾病。

例如，原发性震颤（一种以无法控制的颤抖为特征的病症）可以通过针对丘脑的 TUS 来缓解。

此外，早期证据表明，当针对特定大脑区域时，TUS 可以减少癫痫发作频率和物质使用障碍的渴望。这些应用证明了 TUS 的多功能性和为一系列疾病提供个性化治疗的潜力。

克服 TUS 神经调节的挑战

虽然 TUS 为当前神经调节技术提供了一种有前景的替代方案，但仍必须解决一些挑战。确定最佳刺激参数，例如脉冲频率、持续时间和空间目标，需要进行系统研究。

个性化的头骨成像和声学模拟可以提高瞄准精度并最大限度地减少脱靶效应。此外，TUS 的治疗效果可以受益于实时调整参数的闭环控制系统，从而能够根据个体患者的反应进行动态调整。

TUS 在临床实践中的未来

TUS 的未来在于其通过实现无创、精确的神经调节而彻底改变脑医学的潜力。最初，TUS 应用可能侧重于具有特定治疗目标的明确病症，例如特发性震颤。

随着对 TUS 机制的了解和方案优化的进展，其用途可能会扩大到治疗复杂的精神和神经系统疾病。

随着研究的不断进行，TUS 最终可能发展成为一种多功能工具，不仅用于治疗干预，还可以增强健康个体的认知功能，从而引发重要的伦理考虑。

结论

总而言之，TUS 为研究神经系统和精神疾病的神经机制和潜在治疗干预措施提供了一种多功能工具。

虽然参数空间和状态依赖性等挑战仍然存在，但 TUS 最初准备用于针对具有明确生物标记的疾病的临床应用，并可能扩展到更复杂的条件。

随着研究的进展，TUS 也可能被考虑用于健康个体的认知增强，这需要严格的安全性和有效性评估。将 TUS 与技术相结合并探索增强剂分子可以进一步完善干预措施并扩大其临床潜力。