基于磁声耦合效应的矢量性经颅聚焦电刺激方法研究

Transcranial electromagnetic nerve stimulation is an important technology for therapy and brain research. In this project，a novel noninvasive focused-electric-stimulation method has been proposed based on the magneto-acoustic effect. The proposed stimulation method could achieve 1-2mm focal spot in brain tissue by inducing an electric field in regions where the ultrasound is focused at a certain depth as TMS. In this project，a series of refined simulations and experiments that considering the heterogeneity of the brain tissue will be carried out to validate the proposed method. The relation-law between the distribution of the stimulating electric current density and the focused ultrasound field will be found and the optimal parameter of the focused-electric-stimulation will be acquired based on the research. The investigation will provide important value for brain science and neural engineering.

经颅神经电磁刺激技术是用于脑部神经系统治疗及研究的重要工具。本申请基于磁声耦合理论，提出一种无创的高靶向性经颅神经电刺激技术，该技术利用聚焦超声在头部实现矢量性的聚焦电刺激，在保证一定经颅穿透深度下可获得聚焦直径1-2毫米的电刺激点。本申请通过理论建模及实验验证两个方面对该方法进行深入研究，考虑脑组织声学参数与电学参数的非均匀性，揭示在声场和磁场作用下，脑组织中感应电流分布与聚焦声场的耦合规律；给出该聚焦电刺激方法的性能指标参数与最佳适用条件，为该方法真正实现经颅刺激应用打下坚实基础。

经颅神经电磁刺激技术是用于脑科学研究及脑疾病诊疗的重要工具。基于磁声耦合效应的经颅聚焦电刺激（transcranial magneto-acoustic stimulation，TMAS）是一种新型的非侵入的可实现包括深部脑区在内的全脑高空间分辨电刺激方法，可为脑科学及神经科学的发展提供强有力的技术手段，推动脑认知研究（特别是精准脑调控、脑功能分区等领域）及重大神经精神疾病的调控与康复治疗，具有重要的研究价值和广阔的应用前景。.本项目针对TMAS的方法建立、系统搭建、动物实验及机制探索等方面展开系统的研究。首先，基于磁声耦合效应的矢量性经颅聚焦电刺激的仿真研究，搭建小动物经颅磁声刺激-经颅超声刺激（TMAS-TUS）一体化实验系统并完成了系统的优化及测试；使用该系统对健康小鼠及PD小鼠的海马区及运动区进行了TMAS的实验研究，探究TMAS对健康鼠及PD鼠神经活动的影响；进一步的，对健康小鼠及PD小鼠进行TMAS-TUS对比实验研究，探究TMAS中聚焦声场对刺激效果的作用及影响；此外，优化已有的基于磁声耦合效应的经颅聚焦电刺激电场检测系统，对TMAS在类生物组织中产生的实际磁声耦合电场进行定量检测；并对TMAS中微弱磁声电场对细胞的作用效果进行初步探索，以深入探究TMAS中声场-磁场的耦合机制。.研究结果显示TMAS可以在小鼠的海马区（深部脑区）及运动区（皮层区域）实现2mm的聚焦尺寸，并且验证了小动物海马区（深部脑区）及运动区（皮层区域）刺激的可行性、安全性及有效性。实验结果表明，TMAS相对对照组可以显著提高小鼠的学习记忆能力和运动调控能力，TUS也同样可以提高小鼠的学习记忆能力和运动调控能力，且TMAS的作用效果优于TUS。说明TMAS中的聚焦声场作用不可忽略，TMAS本质上是一种结合了耦合电场与声场的复合刺激。TMAS中声场-电场的耦合作用机制及声-电作用效果评估还在深入进行中。.本项目的工作为TMAS真正意义上的应用提供指导，对神经调控具有重要意义。.