研究進(jìn)展：激光散斑與內(nèi)源光多模態(tài)成像評測超聲功能調(diào)控

在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，超聲神經(jīng)調(diào)節(jié)技術(shù)正以其非侵入性和精準(zhǔn)靶向深部腦區(qū)的優(yōu)勢，成為治療癲癇、抑郁癥和阿爾茨海默病等神經(jīng)疾病的新興工具。然而，傳統(tǒng)超聲換能器的不透明性和體積龐大性，嚴(yán)重限制了其與光學(xué)成像技術(shù)的整合應(yīng)用。光學(xué)成像雖能揭示超聲刺激的分子機(jī)制，但兩者結(jié)合的技術(shù)瓶頸始終未被攻克。近期，賓夕法尼亞州立大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表的論文提出了一種創(chuàng)新解決方案——基于透明鈮酸鋰超聲換能器（TUT）的顱窗技術(shù)，為清醒小鼠模型中的超聲神經(jīng)調(diào)節(jié)機(jī)制研究開辟了新路徑。

這項(xiàng)技術(shù)突破了傳統(tǒng)超聲設(shè)備的物理限制，通過在薄化顱骨上集成微型化透明換能器，實(shí)現(xiàn)了同軸超聲刺激與多模態(tài)光學(xué)成像的無縫整合。研究團(tuán)隊(duì)利用激光散斑對比成像（LSCI）和內(nèi)在光學(xué)信號成像（IOSI）技術(shù)，觀察到超聲刺激可顯著增加腦血流量和總血紅蛋白含量，且血流動(dòng)力學(xué)變化與刺激參數(shù)呈正相關(guān)。這一發(fā)現(xiàn)不僅驗(yàn)證了TUT顱窗技術(shù)的可行性，更為超聲神經(jīng)調(diào)節(jié)從基礎(chǔ)研究向臨床轉(zhuǎn)化提供了關(guān)鍵技術(shù)支持。

研究背景與技術(shù)挑戰(zhàn)
超聲神經(jīng)調(diào)節(jié)的潛力
超聲神經(jīng)調(diào)節(jié)技術(shù)通過低強(qiáng)度聚焦超聲波精準(zhǔn)調(diào)控神經(jīng)元活動(dòng)，近年來在動(dòng)物模型中展現(xiàn)出治療潛力。研究表明，超聲刺激能夠非侵入性地調(diào)節(jié)深部腦區(qū)的神經(jīng)活動(dòng)，為治療癲癇、抑郁癥和阿爾茨海默病等疾病提供了新思路。然而，現(xiàn)有研究多依賴麻醉狀態(tài)下的開顱手術(shù)，這種侵入性操作可能引發(fā)炎癥反應(yīng)和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞激活，干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

傳統(tǒng)技術(shù)的局限性
傳統(tǒng)超聲換能器需要水或凝膠作為耦合介質(zhì)，不僅增加了設(shè)備體積，還可能因散熱效應(yīng)導(dǎo)致腦區(qū)溫度波動(dòng)，影響神經(jīng)血管耦合穩(wěn)定性。光學(xué)成像技術(shù)雖能提供高時(shí)空分辨率的分子機(jī)制研究手段，但其與超聲設(shè)備的整合面臨兩大核心挑戰(zhàn)：一是傳統(tǒng)換能器的不透明性導(dǎo)致光學(xué)信號無法同軸穿透，二是設(shè)備體積限制了在清醒動(dòng)物模型中的應(yīng)用。

基于TUT的光學(xué)成像超聲刺激裝置

TUT特征

成像實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與成像方法
研究團(tuán)隊(duì)采用LSCI和IOSI兩種互補(bǔ)技術(shù)對超聲刺激引起的血流動(dòng)力學(xué)變化進(jìn)行定量分析。LSCI通過分析紅細(xì)胞運(yùn)動(dòng)引起的激光散斑圖案變化，間接推算腦血流量（CBF）；IOSI則利用530nm波長光對氧合和脫氧血紅蛋白的等吸收點(diǎn)特性，直接測量總血紅蛋白（HbT）變化。實(shí)驗(yàn)中，每只小鼠接受七次超聲刺激，每次刺激間隔30秒，總記錄時(shí)間為240秒。

數(shù)據(jù)分析與結(jié)果驗(yàn)證
數(shù)據(jù)分析表明，超聲刺激后CBF和HbT均在1.5-1.7秒達(dá)到峰值，并在4秒內(nèi)恢復(fù)至基線水平。值得注意的是，LSCI在刺激后0.9秒出現(xiàn)額外峰值，經(jīng)體外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這是由超聲振動(dòng)引起的靜態(tài)散斑干擾所致。為消除這一偽影，研究者采用1.2秒的時(shí)間窗對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)CBF與HbT變化在刺激后1秒內(nèi)相關(guān)系數(shù)恢復(fù)至0.8以上，證明了數(shù)據(jù)的有效性。

超聲刺激誘導(dǎo)的大腦中CBF和HbT變化

總結(jié)與展望
TUT顱窗技術(shù)作為超聲神經(jīng)調(diào)節(jié)領(lǐng)域的重大創(chuàng)新，成功解決了傳統(tǒng)設(shè)備在光學(xué)成像兼容性和清醒動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中的技術(shù)瓶頸。其核心優(yōu)勢在于：一是設(shè)備的可擴(kuò)展性，可根據(jù)研究需求定制不同尺寸和頻率的換能器；二是與現(xiàn)有玻璃顱窗記錄系統(tǒng)的兼容性，降低了技術(shù)轉(zhuǎn)化門檻；三是成本優(yōu)勢，單個(gè)TUT的制造成本低于20美元，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)超聲換能器。研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃通過增加鈮酸鋰晶體厚度開發(fā)低頻TUT顱窗，以實(shí)現(xiàn)深部腦區(qū)的超聲調(diào)節(jié)；同時(shí)，通過多波長光學(xué)成像探索神經(jīng)元活動(dòng)與膠質(zhì)細(xì)胞反應(yīng)的動(dòng)態(tài)關(guān)系。此外，TUT技術(shù)有望發(fā)展為透明換能器陣列，實(shí)現(xiàn)對大腦不同區(qū)域的超聲波精準(zhǔn)調(diào)控，同時(shí)兼容超快超聲、光聲和光學(xué)成像的多模態(tài)應(yīng)用。隨著技術(shù)的不斷完善，TUT顱窗有望成為連接基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)與臨床神經(jīng)醫(yī)學(xué)的橋梁，為揭示大腦奧秘和改善人類健康開辟新的可能性。

DOI:10.1101/2025.02.19.638722.