Brain Stimulation：经颅超声神经调节的临床前与临床研究系统综述

摘要

背景：低强度经颅超声已迅速崛起为一种非侵入性且颠覆性的神经调节工具，广泛应用于基础神经科学研究以及神经和精神疾病的治疗中。

目的：本文旨在全面概述并更新低强度经颅超声在神经调节方面的临床前与临床研究，并强调功能性脑成像在指导、深入理解和预测神经调节反应方面的新兴作用。

方法：通过搜索Web of Science和Scopus数据库，我们系统地回顾了关于人类和动物经颅超声神经调节的研究。

结果：我们确定了187项相关研究并进行了综述，其中包括116项临床前研究和71项临床研究，研究对象来自不同的队列。在更广泛的背景下，我们概述了超声神经调节的里程碑事件。讨论了通用的神经反应指标和结果测量，指出了潜在的干扰因素，并强调了功能性磁共振成像的新兴应用。

结论：超声神经调节已成为研究和治疗多种疾病的有力工具，其与各种神经反应指标的结合极大地推动了这一平台的发展。特别是，功能性磁共振成像的使用为超声神经调节提供了令人兴奋的推论，并有可能促进我们对脑功能、神经调节机制以及最终临床结果的理解。预计这些临床前和临床研究只是众多研究中的首批；低强度经颅聚焦超声，特别是与功能性磁共振成像的结合，有望为一系列神经疾病的治疗带来突破。

1. 引言

自20世纪50年代首次应用于医学领域以来，超声已成为最安全且最多功能的诊断工具之一。在高强度下，超声——通常通过声透镜或换能器阵列进行聚焦——还能引发一系列治疗效果，这些效果已被利用来实现具有临床意义的、已获批准用于治疗多种疾病的治疗方案，包括子宫肌瘤，以及前列腺、肝脏、胰腺、乳房和骨骼病变。

直到最近，由于颅骨的高声衰减、大的镜面反射和畸变，超声在脑部应用方面一直受到阻碍。然而，最近的进展引发了人们对经颅聚焦超声作为神经疾病变革性治疗工具的兴趣激增。聚焦超声的优势在于能够无创且精确地在深脑区域产生深远影响，这使其在运动障碍（特发性震颤、帕金森病）方面获得了广泛的临床批准，同时也在神经病理性疼痛和抑郁症、强迫症等精神疾病方面进行了试验并获得有限批准。除了上述利用高强度聚焦超声（HIFU）进行热消融的应用外，聚焦超声与外源性微泡造影剂相结合用于短暂性血脑屏障开放（BBBO）以实现药物递送的临床试验也颇具前景，这些试验证明了超声与脑组织之间的安全机械相互作用。最近，低强度聚焦超声被应用于神经调节（非损伤性），即经颅超声刺激（TUS），在研究大脑功能基本神经科学问题以及通过调节潜在神经回路来预防或恢复功能衰退的研究中。

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图1 神经调控方法

神经调节（图1）传统上是通过电磁技术实现的，如经颅磁刺激（TMS）、经颅直流电刺激（tDCS）和经颅交流电刺激（tACS）。这些方法各有优势，在研究和治疗中发挥了关键作用。然而，这些方法精确度有限，且除非通过侵入性方式植入电极进行深部脑刺激（DBS），否则仅限于更浅层的靶点。电磁方法还受到大脑电导率变化的影响，而在病理情况下电导率可能会发生改变，这使得个性化定位变得困难。相比之下，TUS不受电导率变化的影响，并能提供无创、选择性和聚焦（毫米级）的深部脑刺激。事实上，利用电生理学、神经影像学、行为测试、显微镜、免疫组织化学和组织学进行的临床前和临床研究已证明，TUS能够安全地抑制或增强浅层和深脑区域的神经活动，在多种神经退行性和精神疾病队列中产生积极影响。

在本系统综述中，我们首先概述了 TUS 神经调控的原理和机制。然后，我们提供了临床前和临床 TUS 的全面概述和更新，以及无创脑刺激潜力的加速广度。讨论了潜在的混杂因素和缓解策略。最后，我们强调了功能性脑映射与超声神经调控相结合的新兴作用，并强调了脑连接组学为更好地理解和预测患者预后带来的机会。

2. 方法

本综述遵循系统评价和荟萃分析优先报告项目（PRISMA）声明中确立的标准。使用Web of Science和Scopus数据库，以“ultrasound AND neuromodulation AND transcranial”、“ultrasound AND neuromodulation AND fMRI”以及“ultrasound AND fMRI”为搜索参数进行查询，最近一次更新搜索时间为2023年12月。将参考文献导入Covidence进行筛选。纳入的研究需使用经颅超声进行神经调节，在人类或动物受试者（体内）中进行，并且以英文撰写。首先筛选摘要的相关性，然后阅读全文评估相关文章的符合性。通过检查纳入研究的引用文献来查找其他相关文章。对于每项研究，提取的变量包括文献数据、受试者队列、超声设备、超声参数、声处理目标、结果评估方法和结果摘要。

搜索查询共得到971项研究。在去除307项重复项后，对664项研究的相关性进行了筛选。发现有229项研究相关，并评估了其全文的符合性。57项研究被认为不符合条件并被排除：其中23项是完整研究之前发布的预印本或摘要；17项不是经颅研究或未评估神经调节；10项不是体内研究；7项是综述。其余172项研究被认为符合条件。在筛选纳入论文的引用文献后，又纳入了15篇论文，系统综述中共包含187篇论文。

3. 超声神经调控的原理和机制

3.1 参数

经颅超声（TUS）方案由基频、脉冲重复频率、占空比、持续时间和强度等参数定义。基频是超声波在单位时间内振荡的次数，对于空间定位至关重要。频率越高，聚焦越紧密，但颅骨对其的衰减也越大；已有研究表明，700千赫兹以下的频率最适合经颅传输。脉冲重复频率（PRF）决定了脉冲的发送速率，而占空比（DC）描述了每个周期中超声波开启的部分（注意，有些研究报告的是脉冲持续时间（PD）而不是占空比，占空比=脉冲持续时间×脉冲重复频率）。一些研究采用连续波范式，但脉冲式传输的加热风险较低[20]，在文献中使用更为频繁。脉冲串持续时间（PTD）是指从第一个脉冲开始到最后一个脉冲结束的总时间。TUS方案通常还包括在多个会话中重复脉冲串，每个会话之间有自己的脉冲重复间隔。方案的另一个特征是强度，它与压力的平方成正比，与介质的密度和声速成反比。强度通常通过空间峰值时间平均强度或空间峰值脉冲平均强度来报告。其他指标还包括压力或机械指数（MI），MI是峰值负压除以基频的平方，用于估算发生破坏性惯性空化的可能性。已使用了多种方案，并且已发现即使是很小的变化也可能对神经调节结果产生深远影响；虽然超出了本综述的范围，但迫切需要讨论未来的最佳实践；虽然一些研究确实评估了参数变化的影响，但很难将所有方案参数完全分开，以明确阐述其生理意义和生物学效应。遵循国际经颅超声刺激安全与标准协会最近发布的指南，对TUS参数进行标准化报告，将对该领域的未来发展大有裨益。

3.2 机制

声波可以通过多种方式与神经元膜相互作用，改变其状态（图2）。在这里，我们概述了经颅超声触发后续动作电位并因此调节神经活动的拟议机制。

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图2 TUS 神经调控机制

3.2.1 膜构象状态与挠曲电效应

机械超声波能够以局部方式改变神经元膜的机械特性，导致膜构象状态发生变化或脂质之间发生相对位移，从而改变静电相互作用。这些构象变化和挠曲电效应已被证明可以改变跨膜电位并诱导电容电流，从而调节神经活动。例如，Muratore等人报告称，声辐射力可以可逆地使细胞变形。Prieto等人测量了经颅超声（TUS）作用下人工双层膜的膜电容变化，报告称超声波辐射力引起的压力变化破坏了双层膜张力与静水压力之间的平衡，使流体膜发生振荡。还有人提出，超声波可以改变神经元膜的粘弹性特性，从而改变膜电导。最近，Chen等人证明，TUS可以通过直接的挠曲电效应（在机械应变梯度下产生电极化响应）诱导动作电位，并进一步解释说，如果扰动足够压缩，则产生的电流是兴奋性的；如果扰动是膨胀性的，则随后的电流是抑制性的。

3.2.2 热力学膜波

神经冲动与沿轴突或质膜传播的界面波有关，类似于传播的声波。当声波与细胞膜相互作用时，会形成压力波。波的线性和非线性相互作用随后可导致化学和电过程，从而产生动作电位（或抑制动作电位）。

3.2.3 机械敏感通道和突触囊泡

与轴突膜相互作用的超声波可以诱导离子转运机制的可逆变化，从而诱导细胞去极化。实际上，许多离子通道对机械刺激敏感，并且对超声波敏感，包括双孔钾（K2P）通道（如TREK-1、TREK-2、TRAAK）、电压门控钠（Na）和钙（Ca²⁺）通道、电压激活的钠通道（NaV1.5）、压电型通道以及星形胶质细胞中的瞬时受体电位通道。超声波还可以破坏化学突触，这可能涉及神经递质释放增加、突触间隙增宽和突触密度改变，或突触囊泡外排。

3.2.4 微管共振

微管是细胞骨架的关键组成部分，因此在突触调节中发挥着重要作用。TUS中使用的兆赫兹频率在神经元内微管共振频率的范围内。因此，Hameroff等人假设，TUS可能会使微管振动，从而影响突触可塑性并调节突触电位。

3.2.5 空化

与双层膜小叶相互作用的超声波可导致膜内空间中出现纳米气泡的产生和坍塌[51]。实际上，外源性微泡造影剂会降低空化阈值，这种方法也已在聚焦超声中应用于在脂质双层膜上创建物理孔隙，以暂时增加通透性。这可能是由于超声波与脂质的构象状态相互作用导致相变，或微空化。还发现添加微泡会增加神经刺激，尽管空化剂在常规TUS方案中通常不使用。

3.2.6 热调制

除了机械效应外，超声波还可以产生热效应。虽然大多数TUS方案不会引起任何显著的温度升高（<1°C），但在较高强度或持续刺激下可能会温度升高。几度的温度变化会影响神经活动，改变神经元膜电容以及突触电位的幅度和动力学。某些离子通道也表现出热敏感性，进一步支持了潜在的热机制。

值得注意的是，虽然上述相互作用在超声波传递期间预计会持续发生，但持续或重复暴露有时会发现产生兴奋性可塑性效应，而无需微结构损伤，且突触电位持续时间超过刺激时间。目前尚不清楚超声波产生持续但可逆的神经调节效应的机制。然而，这种可塑性效应是开发方案的主要目标，尽管实现这一目标一直很困难，因为效应高度依赖于刺激参数以及目标组织。然而，一般来说，虽然神经冲动是电性的，但它们可能涉及机械性、化学性和热诱导的变化，迄今为止已提出了多种机制。这些机制的发生方式存在重叠，且所使用的参数种类繁多，因此，这些机制（以及其他潜在机制）的组合可能是TUS神经调节的基础。

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图3 临床前和临床 TUS 神经调控景

4. 临床前与临床超声神经调控

多项研究利用上述效应在临床前（115项研究）和临床（71项研究）工作中调节行为、感知和神经生理反应（图3）。临床前研究涵盖了小型动物（小鼠、大鼠、猫、兔）和大型动物（猪、羊、猕猴），涉及多种模型（健康模型、阿尔茨海默病、帕金森病、老年模型、癫痫、缺血性损伤、多发性硬化症、慢性疼痛、高血压、抑郁症和焦虑症）和不同的目标。临床研究则针对类似的受试者群体（健康人群、阿尔茨海默病患者、帕金森病患者、特发性震颤患者、癫痫患者、自闭症患者、意识障碍患者、强迫症患者、慢性疼痛患者、抑郁症患者、焦虑症患者、药物滥用障碍患者和精神分裂症患者）和类似的靶向区域。本文在概述更广泛领域的基础上，介绍了经颅超声（TUS）的亮点和里程碑，对潜在的干扰因素进行了评论，并讨论了迄今为止使用的结果输出和评估方法。

4.1 经颅超声（TUS）神经调控的里程碑

1958年，Fry等人最早在体内进行了低强度经颅超声神经调控研究，他们发现，在刺激猫的视觉皮层时，能够暂时抑制电反应（脑电图EEG）的成分。这一发现激发了从20世纪60年代开始至今的一系列研究，这些研究旨在探讨其作用机制，确定刺激参数的安全性和有效性，并证明针对不同受试者和患者群体的神经调控效果（图4）。2011年，Min等人首次证明，经颅超声可以改变健康大鼠的神经递质浓度，并有可能调节其局部释放、摄取或降解。同年，Min等人还在首个疾病模型队列（大鼠癫痫模型）中进行了实验，并证明经颅超声可以显著降低癫痫脑电图爆发的发生率。同时，Yoo等人在健康兔中的研究也表明，根据刺激参数的不同，经颅超声可以安全地以双模态（即刺激或抑制）调节大脑活动。该研究还首次将功能磁共振成像（fMRI）作为经颅超声的神经读出方法。

不久之后，2013年，经颅超声首次在人类身上得到验证。在对慢性疼痛患者进行后额叶超声处理后，他们的情绪和疼痛评分有所改善。随后有研究表明，对健康人的初级感觉皮层（S1）进行超声处理可以诱发特定的诱发电位，并产生虚幻的触觉感受。2016年，出现了首批功能磁共振成像（fMRI）-超声临床研究：Ai等人证明，对健康受试者的初级运动皮层（M1）和尾状核进行经颅超声处理可以诱发血氧水平依赖（BOLD）信号的变化；Jang等人则表明，磁共振引导聚焦超声（MRgFUS）丘脑腹中间核（Vim）毁损术（消融性高强度聚焦超声，HIFU）可通过与症状相关的连接变化来调节运动网络的相互作用。同年，Monti等人发表了一篇关于一名脑外伤患者接受丘脑经颅超声治疗的病例报告，该患者随后表现出明显的临床改善。

在接下来的几年里，临床前和临床研究都取得了各种里程碑式的进展。2017年，Downs等人对健康猕猴的壳核进行了超声处理，证明经颅超声对认知任务的表现有持续的积极影响。2018年，Legon等人在健康人类中也得到了类似的结果，表明M1刺激可以带来运动表现的优势。2018年，临床前研究还引入了新的受试者群体：Baek等人在小鼠卒中模型中刺激了小脑外侧核，发现治疗后小鼠的感官运动恢复显著增强，并持续4周。该研究还发现，患侧大脑半球脑水肿程度降低，表明经颅超声可能诱发了抗炎反应。Olmstead等人则针对多发性硬化症小鼠模型的胼胝体进行了超声处理，显著加速了髓鞘再生。尽管迄今为止，这两类受试者在临床超声神经调控研究中受到的关注较少，但临床前研究结果预示着未来可能取得积极进展。2018年，Todd等人进行了首项关于超声介导的血脑屏障开放（BBBO）后可能发生的神经调控变化的研究。他们发现，BBBO导致功能连接降低，但在封闭后恢复。次年，Meng等人在阿尔茨海默病患者中也得到了类似的结果。

虽然BBBO研究包括了阿尔茨海默病患者，但2019年，阿尔茨海默病和帕金森病患者首次被纳入经颅超声神经调控试验，Nicodemus等人证明，患者的认知和运动评分有所改善。在接下来的两年里，经颅超声神经调控首次使用了帕金森病动物模型，其中M1刺激减少了小鼠与帕金森病相关的神经活动，而对大鼠右侧半球的刺激则显著减少了帕金森病引起的胶质细胞激活和黑质致密部核因子-kB p65的磷酸化。同时期，Park等人也首次在阿尔茨海默病动物模型中使用了经颅超声，他们发现，超声处理后，小鼠的前边缘皮层、下边缘皮层和海马区的β淀粉样蛋白水平降低。2019年和2020年，抑郁症也分别被纳入临床前和临床研究。Zhang等人对抑郁大鼠的前边缘皮层进行了经颅超声处理，结果逆转了其核心抑郁表型，而Reznik等人则对一组抑郁症患者的前额颞叶皮层进行了刺激，结果患者的特质焦虑减轻，总体情绪得到改善。2020年，还首次出现了针对强迫症患者的超声研究（在高强度聚焦超声囊切开术的背景下），其中4/6例患者有反应，且功能磁共振成像显示，体素簇与最终的临床反应显著相关。

最近几年，经颅超声的应用范围越来越广。在临床前研究中，开始评估疼痛模型，其中Zhang等人证明，在大鼠疼痛模型中刺激导水管周围灰质可以产生镇痛效果。在更严格的小鼠实验中，还评估了抑郁症和焦虑症，发现对前额皮层的经颅超声处理可以改善抑郁样和焦虑样行为，并显著下调炎性细胞因子。Yang等人还首次实现了诱导性低体温和低代谢，他们发现，对小鼠下丘脑视前区进行经颅超声处理后，小鼠可长时间（>24小时）处于类似冬眠的状态。在临床研究中，健康受试者的脑干兴奋性得到了调节，还首次使用正电子发射断层成像（PET）与经颅超声结合，评估痴呆患者的脑葡萄糖代谢。值得一提的是，临床研究还开始利用磁共振波谱（MRS）评估经颅超声神经调控的神经化学基础。最近，经颅超声在临床试验中的最新应用不断涌现：Cheung等人进行了一项双盲、随机、假手术对照试验，证明接受治疗的自闭症儿童临床症状显著改善；Zhai等人证明，经颅超声可减少精神分裂症患者的阴性症状，并改善其认知功能；Mahoney等人则表明，经颅超声可减轻药物滥用障碍患者的渴求。2024年同样开局良好，已有针对癫痫、抑郁症和特发性震颤的经颅超声临床试验研究正在进行中。

4.2 一般结果、神经读出和结局指标

上述研究代表了经颅超声刺激（TUS）研究中的重要里程碑；它们为更广泛的前临床和临床成果奠定了基础，同时这些研究本身也建立在这些成果之上。

大多数经颅超声刺激（TUS）研究旨在诱发功能（运动/感觉）反应。尽管这类研究通常是在健康受试者中进行的，但它们具有治疗运动障碍、缓解慢性疼痛等潜力。这些研究通常使用结构磁共振成像（MRI）进行定位（实际上，大多数超声神经调节研究都是在扫描后MRI指导下进行的），然后采用电生理记录作为主要读出方式，包括局部场电位（LFP）读数，以评估伴随诱发运动而出现的诱发电位的增强或抑制。然而，值得注意的是，尽管在小型动物中已捕捉到TUS诱发的直接运动反应，但在大型哺乳动物或人类中尚未观察到此类反应。同样值得注意的是，许多TUS的临床研究也应用了经颅磁刺激（TMS），因此，当TUS与其他形式的神经调节在线结合使用时，必须谨慎归因反应，不能单纯地将反应归咎于TUS。在运动/感觉超声神经调节研究中使用的另一种辅助工具是钙成像，它虽然无法记录电生理学所能精细分辨的尖峰活动，但能够捕捉到大范围神经元群体的活动情况。另一种模式是正电子发射断层成像（PET），它能够空间监测葡萄糖代谢。PET有助于证明TUS空间选择性的原理。同样，功能性磁共振成像（fMRI）也被应用于前临床和临床研究，以测量大脑活动和连接性，通常采用血氧水平依赖（BOLD）对比技术来间接测量神经元活动；BOLD反映了区域性脑血流量、体积和氧耗量的综合变化。fMRI有助于我们了解超声神经调节的大规模效应，评估其对目标区域与其他形成神经网络以执行特定功能的远距离区域之间耦合的影响。光学方法也被用于评估血氧（近红外光谱）和血流（激光散斑对比成像）。为了检查这些神经调节效应是否与预期的行为或临床结局相关，研究还在前临床和临床场景中采用了行为（任务）测试，以及临床评分。一般来说，TUS对运动皮层和躯体感觉皮层的前临床研究评估了诱发的肌肉收缩和运动，或模拟触觉或视觉刺激的诱发感觉反应；临床研究则观察到皮层活动的调制（但没有运动），以及与之相关的运动表现变化，在某些情况下，TUS还能诱发触觉感觉。

其他研究评估了经颅超声（TUS）对认知或情绪的影响，旨在治疗情绪障碍（如抑郁、焦虑）或认知功能障碍（如痴呆、自闭症）。此类研究除采用脑电图（EEG）、正电子发射断层成像（PET）、功能磁共振成像（fMRI）、行为测试和临床评分外，还进行了分子和生化分析，以评估单胺类神经递质浓度变化和炎性细胞因子表达变化。这些研究通常改善了认知功能和整体情绪。少数研究评估了TUS对意识的影响（如癫痫、创伤性脑损伤、意识障碍）。尽管此类研究的报告数量有限，但结果指标已包括局部场电位（LFP）、脑电图（EEG）、肌电图（EMG）、分子和生化分析、功能磁共振成像（fMRI）、激光散斑成像、行为测试和临床评分。这些研究成功提高了行为反应能力、调节了睡眠状态并减少了癫痫活动。例如，在最近的一项临床前研究中，Choi等人使用TUS对药物诱导的急性癫痫大鼠模型进行了研究，并证明了根据超声作用的持续时间、强度和时机，癫痫发作可实现双向调节。除了使用脑电图和脑血容量测量来评估癫痫发作的抑制或增强外，他们还通过微透析获得的间质液测量了谷氨酸和γ-氨基丁酸（GABA）的水平。该研究证明了TUS在癫痫及其他兴奋性/抑制性失衡的神经系统疾病中的临床转化潜力。

最多元化的类别是一般神经效应，其中一系列临床前研究关注TUS后神经活动的普遍变化，研究神经递质表达水平、蛋白质表达、胶质细胞激活和髓鞘形成。这一类别也使用了最多元化的结果指标，包括局部场电位（LFP）、脑电图（EEG）、心电图测量、光内源信号成像、光纤光度测定法、钙成像、分子和生化分析、行为测试和组织学检查。事实上，大多数临床前研究都包括组织学和免疫组织化学分析，以评估治疗方法的安全性，有时结合不良行为表现。在临床研究中，安全性通过行为变化和受试者问卷进行评估。总体而言，研究表明低强度TUS神经调节具有有利的安全性特征。

本研究还评估了血脑屏障开放（BBBO）和消融的类别。消融使用高强度聚焦超声（HIFU），是一种不可逆的神经调节形式，它通过有意造成热损伤（即损伤）来改变大脑功能。BBBO也以较低强度改变正常大脑功能，但高于典型低强度TUS研究（使用外源性微泡）的（有效）强度，尽管是暂时和非故意的。这些研究采用了结构磁共振成像（用于定位和BBBO验证）、脑电图（EEG）、功能磁共振成像（fMRI）、正电子发射断层成像（PET）、免疫组织学分析、行为测试和临床评分作为结果指标。但值得注意的是，本研究仅纳入同时报告评估神经调节或连接性变化（使用功能磁共振成像）的研究。

4.3 潜在干扰因素

在经颅超声（TUS）神经调控研究中，需要谨慎对待的一个领域是实验中的潜在干扰因素。大多数临床前研究使用了麻醉，而麻醉可以以多种方式调节膜兴奋性，这些方式与TUS潜在机制存在重叠。已发现异氟烷、右美托咪定和丙泊酚会影响功能连接性、自发放电率和尖峰模式，通常导致神经活动整体受到抑制。氯胺酮已被证明可阻断皮层神经元活动，从而抑制超声诱发的运动反应，而异氟烷同样能以剂量依赖的方式抑制运动诱发电位。大多数研究使用了异氟烷，而在最近的研究中，将浓度降低至0.1%以使动物处于半清醒状态。

另一个潜在的干扰因素是TUS对听觉通路的影响，这会影响临床前和临床研究，特别是对于半清醒或清醒的受试者。需要注意的是，虽然基本频率远高于人类的听觉范围，但脉冲率并非如此。一些研究报道了沿听觉通路的神经元活动，以及TUS引起的其他听觉伪影和嗡嗡声，这些可以引发动物的惊吓反应，并影响人类中的安慰剂对照测试——从而对超声神经调控反应的保真度提出质疑。最近，Mohammadjavadi等人证明，可以通过修改超声调制包络来衰减或消除可听成分和听觉脑干反应，并且修改后的反应与耳聋基因敲除小鼠的反应相匹配。研究还表明，超声剪切波的传播和随后的颅骨振动发生在超声入射波的脉冲重复频率（PRF）处，并且通过改变PRF以避免颅骨振动或在该频率下应用掩蔽声可以最小化听觉干扰。因此，尽管脉冲超声波形中的听觉成分和麻醉可以促成反应，但TUS神经调控也可以独立于这些效应发生，不过应实施适当的对照或缓解措施来解决这些干扰因素。

5. fMRI和连接组学的机遇

由于磁共振成像（MRI）通常与TUS结合使用以实现高精度定位，一个自然的延伸是，越来越多的研究开始利用功能磁共振成像（fMRI）作为TUS神经调控的神经读出工具。fMRI的基本原理是，局部神经元活动的增加是一个代谢需求增加的过程，需要通过神经血管偶联机制增加血流以输送葡萄糖和富氧血液。血流反应超过了氧耗量的增加，导致脱氧静脉血浓度降低，进而使fMRI血氧水平依赖（BOLD）信号增加。将fMRI神经成像与TUS相结合，可以详细推断神经活动的因果关系，并深入了解特定脑区和网络的功能及相互作用，进而了解它们与行为和认知结果的关系。在本文中，我们讨论了利用fMRI的TUS研究报告、当前限制以及这种组合可能提供的未来机遇。

5.1 结合fMRI神经成像与TUS神经调控

17项临床前研究结合了fMRI与TUS神经调控：其中3项使用fMRI进行定位，5项涉及血脑屏障开放（BBBO），9项涉及低强度TUS神经调控。在临床上，33项研究应用了fMRI：6项用于定位，10项涉及BBBO或消融高强度聚焦超声（HIFU），17项涉及低强度TUS神经调控。

在血脑屏障开放研究中，功能性磁共振成像显示，在临床前研究中，血氧水平依赖响应受到抑制，功能连接减少，但在24小时内恢复。在阿尔茨海默病患者进行的BBBO临床试验中也观察到了类似现象，其中BBBO暂时降低了同侧额顶叶网络的功能连接，次日即恢复，这与血脑屏障的闭合一致。在进行消融超声后，fMRI揭示了丘脑切开术或内囊切开术后功能连接的减少和增加。有6项研究对原发性震颤患者进行了丘脑切开术治疗，其中功能连接模式被提出可作为临床结果的潜在预测因素。具体而言，与健康对照组相比，术前感觉运动网络、初级视觉网络和视觉空间网络的功能连接降低；术后与运动相关的区域功能连接普遍降低，但小脑网络的功能连接增强，且感觉运动网络和视觉空间网络的功能连接增强持续至少3个月或6个月。丘脑切开术还用于治疗以震颤为主的帕金森病，共进行了2项试验：Stanziano等人发现，良好应答者（震颤改善>50%）的双侧辅助运动区之间、未治疗小脑间位核与已治疗小脑第Ⅵ叶之间、未治疗辅助运动区与对侧豆状核之间的功能连接降低，且3个月时的临床震颤评分与治疗后功能连接的降低程度相关。Xiong等人评估了BOLD信号的低频振幅分数，发现丘脑切开术后12个月时，左枕叶皮质fALFF显著降低，与震颤改善相关。一项研究应用了双侧内囊切开术：Davidson等人发现，在6例强迫症患者和6例重度抑郁症患者中，分别有4例和2例患者对治疗有应答，且应答者与非应答者可根据术前连接（右侧中央纹状体与右侧后海马之间、左侧背侧豆状核与左侧枕叶皮质以及左侧中央后回之间）进行区分。然而，治疗后6个月，根据先前的连接已无法区分应答者与非应答者。

fMRI在低强度经颅超声（Transcranial Ultrasound，TUS）神经调节研究中同样提供了独特的见解。在临床前研究中，对健康动物进行TUS后的fMRI显示，超声可以双模态、空间特异性和剂量依赖性地调节大脑活动和连接。这些效应通常是短暂的，但可持续数十分钟或长达2小时。这些研究通常在静息状态下进行（即在没有外部刺激或任务要求的情况下），但有时也在同时进行触觉刺激或执行任务时评估超声效应。例如，Muñoz等人发现，向背侧纹状体应用TUS可以在视觉运动决策掩蔽任务中（有奖励）积极影响动机和认知方面的决策制定，但代价是反应时间降低。这与声刺激尾状核与多个皮质区域之间的功能连接发生显著变化相关。Bongioanni等人表明，向内侧额叶皮质应用TUS会导致BOLD信号降低，并显著损害做出新推论性选择的能力。然而，值得注意的是，在所有研究中，刺激或任务要么与TUS同时进行但不同时进行fMRI，要么与fMRI同时进行但TUS是“离线”进行的（即不在fMRI期间进行）。

在临床低强度TUS神经调节研究中，fMRI同样显示，超声可以局部（在某些情况下影响高级网络）地增强或减少连接，且变化可持续20分钟至7天。值得注意的是，大多数fMRI-TUS研究是在健康受试者中进行的，但其中一部分评估了阿尔茨海默病和意识障碍患者队列。在阿尔茨海默病患者中进行的研究发现，海马体、海马旁回、顶叶皮层和楔前叶的BOLD响应增加，与临床评分改善相关。进一步发现，神经心理学改善伴随着阿尔茨海默病关键脑区皮质厚度的增加；即功能上响应的记忆区域在形态学上也有所响应。当应用于意识障碍患者时，发现TUS降低了靶向丘脑与前额叶区域之间的连接，并增加了靶向丘脑与对侧运动皮层、顶叶和颞叶以及枕叶区域之间的连接。这些连接变化也与7天内评估的患者恢复程度增加相关。鉴于功能连接变化与患者结果之间的关联，预计fMRI在TUS研究中的应用将在未来变得更加普遍。

值得注意的是，与临床前文献类似，临床研究也通常使用静息态fMRI，仅有3项研究基于任务。例如，Ai等人评估了手指敲击任务期间的fMRI，发现TUS增加了BOLD激活体积。然而，该研究并未揭示下游功能连接区域的变化。Nakajima等人在停止信号任务期间研究了fMRI，并证明向基底节应用TUS会显著损害停止表现。Beisteiner等人在面孔-名字编码任务期间进行了基于任务的fMRI，并发现TUS后双侧海马活动增加。然而，与临床前研究一样，临床基于任务的评估也是离线进行TUS的。也许在未来，会有更多研究评估TUS如何改变基于任务的BOLD响应和相关认知过程，并希望进一步的技术进步能够实现真正的TUS神经调节和fMRI同时进行。

5.2 当前局限性

尽管超声刺激（TUS）与功能性磁共振成像（fMRI）的同步应用带来了令人振奋的机遇，但仍需意识到其局限性。从机制角度来看，应注意超声压力对血管的作用可能会引起直接的血流介导的血氧水平依赖（BOLD）信号变化，这些变化可能独立于或替代神经元介导的BOLD效应。因此，在分析BOLD fMRI数据时需谨慎，因为仅从神经元活动的角度来解释可能无法提供全面的认识，从而促使我们采用能够专门测量血流动力学和代谢反应的定量fMRI方法。从技术角度来看，后勤和技术设备的兼容性也需要进一步改进，特别是为了临床转化和应用。尽管目前已有与磁共振成像兼容的超声换能器，但大多数标准换能器的复杂性和材料，以及水的存在（用于耦合和冷却）会引起磁场不均匀，从而降低图像质量并引入伪影。此外，还需考虑换能器的尺寸以及其与MRI线圈的适配情况，同时线圈本身在信号优化和换能器定位兼容性方面也需要优化。虽然已有一些专门用于经颅磁共振引导聚焦超声（MRgFUS）消融手术的头部线圈，但由于空间限制，大多数MRgFUS研究仍使用体线圈；体线圈的信噪比更低，扫描加速能力也较差，从而限制了空间和时间分辨率以及可用的fMRI序列。虽然低强度TUS研究具有更大的灵活性，可以使用尺寸较小的换能器，但fMRI仍然会受到更大的噪声干扰，因此更高的信噪比和分辨率能力至关重要。目前，正在探索用于同时进行fMRI和TUS的专用头部线圈，但尚未得到广泛应用，迄今为止，TUS仍是在fMRI之外单独进行的。继续研究和开发MRI兼容的超声换能器和/或专用头部线圈，以及优化MRI采集参数和脉冲序列选择，将有助于我们未来实现fMRI和TUS神经调制的同步应用。

5.3 fMRI在TUS神经调制研究中的未来展望与机遇

神经成像技术的进步使人们认识到，大脑是一个由功能上和结构上相互连接和相互作用的复杂网络。fMRI能够可视化和绘制这些网络。将fMRI神经成像与超声相结合，为理解TUS神经调制的生理效应、为提高个体化疗效定制治疗方案，以及推进我们对健康和疾病状态下大脑功能的理解带来了前所未有的机遇。如上所述，fMRI已经揭示了刺激不同目标时哪些大脑网络被激活，以及网络连通性如何变化。这有助于洞察潜在疾病的病理特征、TUS神经调制的治疗作用机制，并可能在未来前瞻性地预测临床结局。了解健康个体和各种神经及精神疾病患者刺激位点与网络节点之间的连通性，还可以结合文献中其他神经调制模式的先前报告和研究，帮助预测临床反应。例如，参考更常与fMRI结合的领域，如脑深部刺激（DBS）和经颅磁刺激（TMS），可能有助于判断TUS在应用于特定目标或个体时是否也有效。此外，无论是否选择相同的目标，研究针对同一疾病的不同治疗部位也很有用，因为fMRI研究表明，用于治疗同一疾病的不同靶点通常是同一网络内的节点。同一疾病的症状也可能是异质的，并可能映射到不同的网络；了解这些网络有助于指导针对特定症状且更加个性化的治疗方案。因此，可以想象未来的研究将利用fMRI扫描和与规范及疾病特异性数据库的对比来表征单个患者的异常功能连通性。然后，可以在MRI内使用兴奋性或抑制性TUS精确靶向受影响网络中的一个或多个节点，并使用fMRI实时观察急性网络调制。这可能是一个迭代和个性化的过程，旨在使网络功能恢复正常。确定的靶点和刺激方案可用于旨在诱导持久网络变化的重复会话中。在某些情况下，还可以确定使用高强度聚焦超声（HIFU）进行永久毁损的目标。同样，尽管TUS已被证明是安全的，且不良事件报告很少，但fMRI可能有助于识别和避免与不良副作用相关的连接和网络。事实上，抑制性TUS也可以融入功能神经外科工作流程中，在毁损之前先对潜在的毁损部位进行疗效和安全性评估。虽然由超过1000个数据集组成的规范连接组提供了最高分辨率的信息，但个体化连通性数据可以进一步提高神经调制治疗的指导和疗效。尽管面临明显的实际挑战，但基于患者的fMRI采集用于指导后续治疗具有实现个体化和优化精准治疗的潜力。一些研究小组已经开始在DBS和TMS的背景下比较规范性和患者特异性连接组的结果，并注意到使用个体化数据时预测性能更好。除了预测和指导特定的临床结局外，将fMRI应用于研究TUS期间功能连接组的变化还可以提高我们对大脑的一般理解。通过这种方式，我们可以探索新的靶点，并更好地了解大脑的病理生理机制。

6. 结论

TUS有望成为研究健康和疾病状态下大脑的非侵入性、变革性工具，并可用于治疗一系列神经和精神疾病。本综述概述了TUS神经调制的原理和机制，在概述迄今为止的广泛报告的同时，突出了临床前和临床里程碑，并讨论了将TUS与fMRI相结合所提供的广泛潜力。特别是，将fMRI与TUS相结合为理解神经调制的生理效应和更好地预测治疗结局带来了令人兴奋的机会。

参考文献：A systematic review of preclinical and clinical transcranial ultrasound neuromodulation and opportunities for functional connectomics.