Dose-dependent ultrasound neuromodulation of the human brain
本研究表明，在体内超声诱导的组织位移而非模拟声强，是人类丘脑皮层回路中剂量依赖性功能神经调控的可靠预测指标，为个体化经颅超声给药奠定了基础。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。 阅读完整免责声明
人类大脑是一个复杂的机器，几十年来，科学家们一直在寻找一种能够温和地引导其内部运作的方法，而无需切开颅骨。一种极具前景的工具是经颅超声刺激技术，它利用高频声波到达大脑深处的结构。虽然声波可以穿过颅骨，但这段旅程非常棘手：骨骼会使波形发生畸变，且最终到达特定目标的能量精确量在人与人之间存在巨大差异。这种不确定性使得人们难以确定需要多少“剂量”的声波来改变大脑活动，从而导致研究和潜在医疗手段中的结果不一致。为了解决这个问题，研究人员需要一种方法，能够精确观察声波在活体人类大脑中究竟是如何作用的，而不是仅仅基于计算机模型进行猜测。
斯坦福大学及其他机构的一个科学家团队通过将超声波与磁共振成像（MRI）相结合，测量了由声波引起的脑组织物理位移，从而解决了这一难题。他们将目标锁定在一个被称为外侧膝状体的小型深层结构上，这是大脑内部的一个视觉中继站。通过针对这个特定位置，他们可以测试声波引起的组织物理位移量是否能预测大脑活动的改变程度。在一项涉及24名健康成年人的研究中，研究人员发现了一个明确的联系：声波撞击时脑组织的移动程度越大，大脑活动的改变就越强。这一发现表明，测量声波产生的实际物理推力，而非仅仅测量机器的功率设置，是理解并控制超声波如何影响人类大脑的关键。
该实验设计得非常精确且采用了双盲实验，这意味着参与者和研究人员在任何时刻都不知道正在进行哪种类型的刺激。志愿者躺在磁共振成像扫描仪内，一个放置在耳边的专用设备向他们的脑部发送聚焦声波。研究人员针对大脑一侧的视觉中心进行操作，并将其与将声波发送到大脑其他非视觉部分的对照条件进行比较。在播放声波的同时，参与者观看屏幕上闪烁的棋盘格图案，以保持其视觉系统的活跃。磁共振成像扫描仪测量大脑中的血流量，这可以作为神经活动的替代指标，使团队能够准确观察大脑在何处以及对声音产生了多少反应。
为了理解声音与大脑反应之间的关系，团队使用了一种名为磁共振声辐射力成像的特殊成像技术。这种方法使他们能够可视化声波引起的脑组织微小的、微观层面的位移。他们发现，即使机器设置完全相同，不同个体之间的组织移动量也会存在显著差异。这种差异是由颅骨形状以及声波在头部传播方式的不同造成的。至关重要的是，研究人员发现这种物理移动是预测大脑反应的最佳指标。当组织移动更多时，目标视觉中心的大脑活动就会显著增加。这种效应不仅是局部的；它还沿着大脑的自然线路传播到大脑后部的视觉皮层，表明声波成功激活了一个完整的神经元网络。
研究团队还测试了计算机模拟是否能预测这些结果。科学家经常使用软件来模拟声波如何穿过颅骨，以估算传递到大脑的剂量。然而，在本实验中，计算机模型无法准确预测实际的大脑反应或组织移动量。模拟程序虽然擅长预测声波的聚焦位置，但却无法准确估算其强度。这凸显了当前技术的一个主要局限：虽然我们可以绘制出声波的位置图，但我们目前还无法在不进行直接测量的情况下，可靠地计算出在活体人类头部内的声波强度。了解真实剂量的唯一方法是在扫描仪内直接测量组织移动。
研究人员还观察了这种大脑活动的改变是否转化为了人们感知世界方式的变化。虽然大脑活动明显增加了，但参与者在检测闪烁图案的细微变化方面并没有表现出一致且可衡量的能力提升。作者认为，这可能是因为任务不够敏感，无法捕捉到细微的变化，或者是由于受刺激的视觉系统特定部分与参与者被要求观看的区域没有完美重叠。尽管缺乏明确的行为变化，但发现物理组织的移动可以预测大脑的电生理反应，这一发现是一个重大进步。它提供了一种实时测量超声“剂量”的具体方法，使该领域从猜测转向更加精准、个性化的方法。
这项工作确立了声波对脑组织的机械推力是衡量大脑反应程度的可靠指标。通过直接测量这种移动，科学家现在可以解释因颅骨形状和组织密度差异而导致的以往研究中的不一致现象。研究证实，超声波可以安全且特异地激活人类深层大脑结构及其连接网络。虽然该技术仍需借助磁共振成像扫描仪来测量剂量，但这一原理为未来开发根据个人独特解剖结构定制超声方案的治疗手段打开了大门。这使得脑刺激科学向着一个更近的未来迈进——即医生可以提供治疗神经系统疾病所需的精确能量，确保每位患者都能获得既有效又安全的治疗。
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