發布時間：2023-06-05 16:36:00
2023年5月26日，《Brain Stimulation》期刊在線發表了中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心（神經科學研究所）熊志奇研究組題為《Low-intensity ultrasound directly modulates neural activity of the cerebellar cortex》的研究論文。該研究工作建立了從神經元到動物行為水平衡量超聲神經調控效應的研究范式，利用雙光子活體鈣成像技術和陣發性運動障礙模型小鼠，發現低強度超聲對小腦皮層神經活動具有直接興奮作用，提示了經顱超聲作為一種新型的非侵入式神經調控技術，具有潛在的廣泛應用。
神經調控技術是指運用聲、光、電、磁等手段對神經活動進行人為操縱的方法。非侵入式的神經調控技術不僅可以輔助神經科學的基礎研究，而且對腦機接口的轉化應用和腦疾病的臨床干預具有重要作用。相較于傳統的經顱磁刺激和經顱電刺激，新興的經顱聚焦超聲具有空間精度高和可特異作用于深部腦區等優勢，被認為是下一代的神經調控技術。然而，盡管過往研究提示了超聲對大腦部分區域的神經調控作用，超聲對小腦活動的調控潛力尚有待挖掘。另一方面，前人研究中存在的方法學局限性，在學界引起了關于超聲是否具有直接調控神經活動的爭論。
熊志奇研究組利用雙光子活體鈣成像技術（圖A）發現低強度超聲可在清醒小鼠小腦顆粒細胞內誘發快速響應的鈣離子信號上升，且刺激結束后存在廣泛的持續效應（圖C和D）。進一步，研究人員發現多次重復的低強度超聲在浦肯野細胞中穩定誘導了鈣離子濃度即時增加和刺激后持續效應，且調控效率正向依賴于聲學劑量（圖E和F）。而脫靶刺激未引起浦肯野細胞內鈣離子的顯著改變。最后，利用實驗室前期構建的Prrt2基因突變型小鼠（圖B），研究人員們發現經顱超聲可重復誘導動物的運動行為改變（圖G）。
本研究利用雙光子活體鈣成像系統地檢測了小腦神經元對低強度超聲的響應模式，并提出了一種全新的超聲神經調控行為學檢測范式，從超聲誘導的持續效應、脫靶刺激下神經元響應的消除和小鼠運動行為的誘發三方面共同揭示了低強度超聲對小腦皮層的直接興奮作用。該工作為理解超聲神經調控的作用機制提供了新的線索，擴展了以小腦為目標靶點的非侵入式神經調控技術工具集，對后續研究和轉化應用具有積極推動作用。
該研究工作在熊志奇研究員的指導下，由徐若水博士和吳雪妹博士研究生共同完成。本工作得到了上海第六人民醫院鄭元義教授和中國科學院聲學所東海站周紅生研究員的大力協助，是多學科交叉合作的成果。中國科學院腦智卓越中心光學成像平臺和實驗動物平臺對本工作提供了有力支持。該工作獲得了科技部、基金委、中國科學院和上海市的資助。
圖（A）在小腦皮層進行同步超聲刺激和雙光子鈣成像。（B）Prrt2基因突變型小鼠在小腦氯化鉀刺激后出現運動障礙樣行為。（C和D）超聲誘導小腦顆粒細胞軸突末梢鈣信號上升。（E和F）超聲誘導小腦浦肯野細胞樹突鈣信號上升。（G）Prrt2基因突變型小鼠在小腦超聲刺激后出現運動行為改變。
來源：熊志奇研究組
文字：徐若水
圖片：徐若水
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