经颅超声刺激神经调控的状态依赖性研究

Pulsed transcranial ultrasound stimulation (pTUS) has emerged as a promising brain modulation technique for its safety, non-invasiveness and precision. However, the subject-dependent neuromodulatory effects of pTUS raise questions about its potential clinical applications, for example, there is a significant number of subjects who are not responding to the pTUS as other majority. Particular, there is even a few cases that the subject even responded reversely as expected. Therefore, it is imperative to reveal the factors for individual differences in pTUS neuromodulatory effects before effectively applying this technique. Based on our previous studies pTUS in neurovascular diseases and the preliminary results of on the neuromodulatory effects of pTUS with different parameters, we propose the hypothesis of baseline state-dependency of pTUS neuromodulation. Using optical neurovascular imaging and magnetic resonance spectroscopy (MRS) techniques, this project aims to test the hypothesis from two aspects: the baseline cortical excitability and baseline level of suppressive/excitatory neurotransmitters, respectively. The proposed study aims to investigate the correlation between neuromodulatory effects of pTUS and baseline neurophysiological states, thereby facilitate to improve the consistency and stability of pTUS technique for its applications in treatment of neurological disorders and basic studies.

近年来，脉冲经颅超声（pTUS）作为一种新的脑刺激手段，以其安全无创且具有较高刺激精度的优势已经成为神经调控领域的研究热点。然而， pTUS的神经调控效应存在着明显的个体差异性，对于相同的刺激参数，相当比例的个体会出现不响应甚至相反的响应，给pTUS的临床应用带来了困难。因此，深入研究经颅超声刺激的神经调控效应的个体差异性的机理对于pTUS的应用具有重要的指导意义。本项目在申请者前期对pTUS神经调控效应应用研究以及pTUS神经血管响应初步研究的基础上，提出了pTUS神经调控效应对大脑初始状态的依赖性假说，并基于神经光学成像方法和磁共振波谱成像（MRS）技术分别从脑皮层初始兴奋性和初始神经递质水平两个方面对该假说进行验证，探索pTUS神经响应的机制。本项目有望揭示宏观和微观两个水平上的大脑状态变量与pTUS神经调控效应之间的相关性。从而为提高pTUS技术的一致性和稳定性提供可能的解决方案，

项目背景： 脉冲经颅超声（pTUS）是近10年来神经工程和神经调控研究的新方向。具有重要的临床和应用研究潜力。 但pTUS的机制方面仍然不是请明晰。 本项目针对TUS的神经调控效应存在着明显的个体差异性问题, 探索TUS响应与神经系统的状态间的关系，拟通过神经影像学手段，研究pTUS 下的神经功能响应特征，及其相关的机制。目标是在开发pTUS系统的基础上，进一步基于动物或人体研究，探索pTUS临床应用的机制。 ..主要研究内容： 本项目拟研发脉冲经颅超声刺激系统，适用于人和动物的神经功能调控，在此基础上开展动物或人体实验，研究经颅超声刺激下神经功能功能状态的短期和长期响应关系。为了能够寻找具有特异性和稳定性的脑纹特征，本项目基于脑电，时间相关电位，功能磁共振数据，研究了不同范式下的重测实验的稳定性，为临床和实验pTUS的功能评价提供可以参考的神经影像学指标。..重要研究结果： 本项目执行期间，开发了三代小型的可用于人和动物的pTUS刺激系统，在刺激系统设计、导航系统、pTUS神经功能响应的评价方面共获得5项发明专利授权，相关的系统也获得产业化基金支持，已经进入临床转化阶段；此外，在脑纹特征研究方面，研究了三个实验范式下的test-retest可靠性，对于后续临床神经疾病、精神疾病的pTUS干预研究的脑功能评价以及靶点选择具有指导意义；基于正常人的pTUS 结果表明，15分钟的pTUS干预可以足以产生长生时程的可塑性效应，该研究结果提示pTUS作为临床干预的可行性；本研究还探索了在缺血性脑损伤下，进行神经调控的干预的可能的离子通道机制，为pTUS在缺血性脑损伤保护的应用提供了进一步探索的方向。