低强度经颅超声对脑神经刺激作用的基础研究

Neuropsychiatric disorders, ranked first in the overall burden of disease, were accounting for about 20% of the total burden of disease. Effective control of neuropsychiatric diseases can greatly improve the health of our citizens’ life and reduce the country's medical expenses. The common therapies for neuropsychiatric disorders have the disadvantage of invasive or low spatial resolution. Low-intensity transcranial ultrasound technique fast developed in recent years is a new method for brain stimulation, and it has advantage of noninvasive high penetration depth and high spatial resolution. In our study, the ultrasound with different parameters was used to stimulate the brain tissues of rats. The neuronal peak potential and local field potentials of neural network were analyzed. A multi-angle, multi-level and comprehensive analysis of the ultrasonic stimulation for the nerve was developed in four levels from neurons, neural networks to the synchronization relationship between neurons and neural networks, the synchronization relationship between neural networks and neural networks. We analyze comprehensively the ultrasonic stimulation for the brain and optimize the ultrasonic parameters to supply the basis for parameter selection for the treatment of neurological and psychiatric diseases in clinic. This study will lay a solid foundation for low-intensity transcranial ultrasound brain stimulation methods using in rehabilitation, brain science and cognitive science and other neuropsychiatric disorders.

神经精神疾病在我国疾病总负担中排名首位，约占疾病总负担的20%。有效的控制神经精神类疾病可以改善我国国民的健康状况，降低我国的医疗支出。常用的神经精神疾病的治疗方法存在着有损伤或空间分辨率低的不足。低强度经颅超声脑刺激技术是近几年快速发展的一种新的脑刺激方法，它具有无损伤、高穿透深度和高空间分辨率优点。本项目使用不同参数的超声对大鼠脑神经进行刺激并记录脑电信号，对刺激前后脑电信号中神经元峰电位和神经网络局部场电位进行分析，从神经元、神经网络、神经元和神经网络同步关系、神经网络之间的同步关系四个层面多角度、多层次、系统综合的研究不同参数的超声对脑神经的刺激作用，探索优化的超声参数，为低强度经颅超声脑刺激技术在治疗神经和精神类疾病的临床应用中提供技术支撑。本研究将为低强度经颅超声刺激脑神经的方法应用到神经精神疾病的康复、脑科学和认知科学研究等领域打下坚实的基础。

低强度经颅超声脑神经刺激技术是近几年发展起来的一种新的脑刺激方法，具有无损伤、高空间分辨率，高刺激深度的特点。本项目围绕着低强度经颅超声对脑神经刺激作用开展了以下研究：1) 不同超声参数下，低强度经颅超声对大鼠海马区域脑电信号的调控作用及参数优化；2) 不同超声参数下，低强度经颅超声对小鼠皮层局部场电位的调控作用及参数优化；3)不同超声参数下，超声和静磁场联合作用对神经元峰电位的调控作用及参数优化；4).低强度超声刺激下，脑血流动力学与超声参数之间的关系；5).低强度超声刺激对脑血氧代谢的调控作用；6)低强度超声刺激下神经血管耦合响应研究。研究结果表明海马区域局部场电位的平均绝对功率在不同频段，delta, theta, alpha与gamma 振荡之间的相位幅值耦合随着超声功率的增加而增加；皮层区域theta频带的相对功率随着超声强度的增加而降低，而gamma频带的相对功率随着超声强度的增加而增加;gamma和高 gamma频带的相对功率随着SD的增加而增加；超声和静磁场联合作用时，在连续波超声波情况下，超声强度能够影响神经元动作电位的幅值和峰峰间期，在脉冲波超声波情况下，超声功率，占空比和重复频率可以改变神经元动作电位的发放模式，神经元动作电位的锁相值对超声波的调制频率高度依赖；脑血流变化的峰值随着超声强度的增加线性增加，随着刺激时间的增加非线性增加；超声刺激可引起小鼠皮层缺氧血红蛋白浓度的变化；超声刺激可引起视觉皮层的神经元活动和血流变化的神经血管耦合。以上的研究结果表明低强度超声刺激能够改变单神经元和神经网络的放电，增加脑血流速度，调节脑血氧代谢和改变神经血管耦合，而且以上的这些生理指标的变化与超声的参数（强度，刺激时间，占空比）密切相关。该项目为超声脑刺激技术在治疗神经和精神类疾病的临床应用中提供参数选择的依据，更为低强度经颅超声广泛的应用于多种神经和精神类疾病的诊疗和康复打下坚实的基础。