脑机启侦|新技术利用聚焦声波和全息图来控制大脑回路（08.09）

一项新研究提供了第一个视觉证据，表明活体动物的大脑回路可以通过投射到特定图案（全息图）的超声波激活。

这项研究由纽约大学朗格尼医学中心、苏黎世大学和瑞士苏黎世联邦理工学院的科学家领导，描述了一种将超声波源和连接到摄像头的光纤内窥镜相结合的系统，该系统可以在小鼠大脑中可视化直接被声音激活的目标。研究人员表示，这为从体外治疗神经系统疾病和精神健康障碍的新方法奠定了基础。

将超声扰动无创、精准且高度可控地传递至小鼠大脑。

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INTRODUCTION

为什么选择超声刺激技术（TUS）

目前，美国食品药品监督管理局 (FDA) 已批准一些旨在减轻帕金森病震颤症状的疗法，这些疗法利用强声波杀死与震颤相关的神经通路内的脑细胞（即神经元）。研究人员表示，目前研究中使用的低强度超声波并非杀死神经元，而是暂时激活它们。由于神经元在其回路内以及相互连接的神经元回路之间传递信息，其产生的效应可能非常广泛。

总而言之，传统的经颅脑刺激（如 TMS、tDCS）在空间分辨率和深度穿透上颇为有限，要么定位粗糙，要么只能浅层刺激；而超声刺激技术（TUS）具备深入脑组织、聚焦精准等天然优势。更高层次的突破在于——过去超声刺激，难以灵活调整刺激区域和帧结构，而且控制模型不够动态多变，缺少对大脑网络整体的影响考量。全息超声的提出，旨在解决上述痛点，让刺激更灵活、更智能，同时更节能安全。

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METHOD

聚焦、动态“造像”

直接观察这项名为经颅超声刺激 (TUS) 的技术在活体大脑中的效果非常困难，但在实验室培养皿中研究神经元并不能准确反映超声波穿过颅骨或在三维组织中的行为方式。研究人员表示，为了确保 TUS 疗法的安全有效，超声波需要瞄准特定的大脑区域，并且必须进行校准，使信号强度足以穿透颅骨，但又不能太强以至于损伤脆弱的脑组织。

“我们的研究表明，利用经颅超声刺激活体小鼠大脑激活整个神经网络是可能的，”该研究的共同资深作者Shy Shoham博士说道。另一位共同资深作者是瑞士苏黎世大学和苏黎世联邦理工学院的Daniel Razansky博士。

“我们还发现，通过关注分布在大脑各个区域而不是任何单个区域的神经元回路，TUS 利用回路内的互连使目标神经元对超声波的敏感度提高 10 倍，”纽约大学朗格尼医学中心 Tech4Health 研究所联合主任、纽约大学格罗斯曼医学院眼科和神经科学系教授 Shoham 说道。

“这一发现可能使该技术更加高效，降低所需的超声功率，并为未来更安全的经颅超声刺激治疗铺平道路。”

hTUS 有效激活神经网络。

为了研究完整大脑中的电路激活，研究人员需要用声波刺激多个大脑区域，同时直接监测在此过程中哪些神经元被激活。

在肖汉姆和拉赞斯基的指导下，研究人员在小鼠头顶上方放置了一个由瑞士团队研发的头盔状阵列，该阵列由512个超声波发射器组成。团队利用超声波创建了全息图，就像干涉光波可以创建三维图像（例如《星球大战》电影中莱娅公主的三维图像）一样。

以正确的方式相互干扰的声波也可以创建“图像” - 在这种情况下，基本上将来自发射器的声波聚焦成定义的几何图案，例如三角形或五边形，到达大脑表面。

当全息图聚焦区域中的神经元被激活时，它们会产生相机记录的荧光信号，从而使研究人员能够测量不同大脑区域对 TUS 的激活程度。

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SIGNIFICANCE

非侵入式脑刺激新范式

“我们的研究结果为经颅超声刺激如何激活生物体内的神经回路提供了新的见解，”肖汉姆说道。“我们希望我们开发的技术和计算模型能够帮助其他基础研究人员探索不同脑回路的机制。最终，我们的目标是将这项工作转化为经颅超声刺激方案，以治疗各种人类疾病，例如精神健康障碍。”

肖汉姆表示，研究人员希望进一步探索激活更复杂的神经回路，并测试能否利用超声波激活位于大脑深处的神经回路。一些应用已在临床上进行测试。

新闻来源：Medical Press

论文参考：DOI:10.1038/s41551-025-01449-x