超声刺激神经元细胞的物理机制及电生理特性研究

Biological effects of ultrasound has been concerned about in worldwide. For example, ultrasound can promote proliferation of cells and cause the permeability change of cells. And ultrasound can kill the cancer cells by the thermal effect. Recent studies have shown that ultrasound can effectively activate neurons, but the physical mechanism of neurons firing induced by ultrasound remaines unknown. This project will study the effects of ultrasonic mechanical effect, thermal effect and cavitation effect on neurons firing. Firstly, we will design acoustic field and manufacture ultrasonic transducers. Meanwhile, the ultrasonic mechanical effect, thermal effect and cavitation effect are obtained by adjusting intensity, frequency and resonant mode. Then, the relationships between acoustic radiation force, thermal index and cavitation dose, and neurons firing are recorded by patch-clamp technique. Lastly, the neurons are effectively activated by optimization of acoustic field. The project aims to understand the physical mechanism of the interaction between ultrasound and neurons, and provide a revolutionary way of great clinical and academic importance towards non-invasive, safe, precise and reliable deep brain stimulation and neuromodulation.

超声生物效应已经引起人们的广泛关注。如低频超声能够促进细胞的生长和增殖，超声使细胞膜通透性发生改变，超声的热效应能够杀死癌变细胞等。最近研究表明超声波可有效神经元细胞，有望成为神经精神疾病的潜在疗法和有力的新工具。但超声导致神经元放电的物理机制并不明确。本项目将在单细胞水平上研究超声物理效应对神经元放电活动的影响。首先，通过设计声场，制备超声换能器，调节声场强度、频率以及共振模态实现对超声力学效应、热效应及空化效应的调控。然后，利用膜片钳技术记录超声辐射力、热指数、空化剂量与神经元细胞放电活动之间的关系。最后，优化超声声场设计，实现对神经元的有效刺激。该项目将实现超声力学效应、热效应以及空化效应，记录超声作用下单个神经元的电生理特征，有助于理解超声与神经元作用的物理机制，对超声神经调控的研究和未来脑疾病的临床治疗具有重要意义。

帕金森病、抑郁症等脑功能性疾病的干预和治疗是重大医学难题，也是目前脑科学研究的重大前沿问题。最近研究表明，超声作为一种非侵入的方法可有效激活神经元，是一种无创神经调控新工作，但超声导致神经元放电的物理机制尚不明确。为进一步明确超声与神经元相互作用的物理机制，项目设计了一种叉指超声换能器，产生细胞水平精细超声场，通过激光测振仪、网络分析仪、水听器等装置表征声场参数，对超声场、温度场、流场等参数进行了测量与表征。利用了利用膜片钳和钙成像技术记录了超声机械效应、热效应、稳态空化与神经元放电活动之间的关系。结果显示，超声驻波（cycle=800k）的机械效应可激活神经细胞，荧光亮度比之前增强60%，变亮概率约为100%。超声驻波（cycle=10k）不能激活神经细胞，引发细胞外钙离子内流。通过改变超声功率调节温度大小，电压为1v时,神经细胞荧光无变亮；电压为1.5v时,神经细胞的荧光有非常微弱的变亮，但荧光增强不到20%；电压为2v时，神经细胞荧光增强约20%，从而得出，在电压为1v到1.5v范围内，超声刺激神经细胞的温度变化为激活神经细胞的临界温度值，也就是临界值约为50摄氏度到55摄氏度。超声刺激两组秀丽隐杆线虫，超声刺激组显示秀丽隐杆线虫回避比例为85.29％±6.17％，对照组回避概率小于10％。在没有微泡影响情况下，秀丽隐杆线虫能够对超声刺激作出回避反应。热成像仪记录刺激过程温度升高相对较小，不能在神经元AFD中检测到钙离子升高。因此，热敏感AFD神经元不能被相同参数的超声激活，线虫的回避反应与超声刺激引起的热效应无关，主要取决于超声波的机械效应。项目结合物理、工程、生物领域，提出一种超声神经调控方式，从细胞层面到模式动物层面对超声刺激神经元的物理机制及电生理进行研究分析，对超声神经调控的机制以及临床治疗具有重大科学和医学价值。