超声辐射力双向调控神经元放电模态的机制研究

The biological effects of ultrasound are not only used in medical imaging, tissue ablation or other fields. Recent studies have shown that ultrasound radiation fore can directly activate or inhibit neuronal activity and regulate animal behavioral output. The newly emergence of ultrasound neuromodulation technology is expected to provide powerful intervention tools for the development of the research on brain science and pave new clinical solutions of the treatment of neuropsychiatric diseases. However, the mechanisms of various neuropsychiatric diseases are quite different, and the modulatory discharges of nuclei and neurons that need to be regulated by ultrasound are also different. The research plan includes the following parts: the design and processing of the ultrasonic transducer, the location of the ultrasound stimulation point and the verification of the safety, the experimental system of a wearable real-time recording system of the neuronal activity compatible with ultrasound stimulation in vivo. The purpose of this project is to study the relationship between different acoustic parameters (ultrasonic pressure, pulse repetition frequency, pulse width, stimulus duration) and the electrical activity of neurons , thus to clarify the underlying mechanism of bimodal regulation of the neuronal discharges induced by ultrasound radiation force. Moreover,the therapeutic effect of ultrasound stimulation on abnormal discharges and seizure of epileptic mice model will be further studie. The implementation of this project will help to clarify the parameter selection of neuronal activity regulated by ultrasound radiation force, and lay a foundation for the basic research and disease-specific intervention by ultrasound neuro-modulation technology.

超声的生物学效应不仅仅在医学成像，病变组织消融等领域有着巨大的应用。最近研究表明，超声辐射力可直接兴奋或抑制神经元放电，调控动物行为学。新型超声神经调控技术的发展有望为神经精神类疾病的治疗提供新的临床解决方案和强有力的干预工具。但各类神经精神类疾病机制差异较大，需调控的核团及神经元放电也不尽相同。本项目将通过超声换能器的设计与加工，超声作用点定位及安全性验证，建立在体可穿戴式超声刺激兼容实时的神经元电活动监测系统，旨在实时，定量，精确地研究参数调整下的不同超声声场模态与神经元电活动之间的关系，明晰超声辐射力双向调控神经元放电模态的参数差异范围。并利用离体脑片膜片钳技术，进一步在神经元及离子通道水平上深入研究超声辐射力调控神经元放电模态的内在机制。该项目的开展有助于明确超声辐射力特异性调控神经元电活动的参数选择及其内在机制初步阐述，为超声神经调控新技术的基础研究和疾病特异性干预奠定基础。

相比于传统的神经调控技术，新型超声神经调控技术具有无创穿颅，深部动态聚焦，高时空分辨率等独特优势。超声神经调控技术的有效性在多物种，包括人已经得到了证实，被广泛用于调控神经元电活动和疾病的干预。由于不同神经精神类疾病发病机制复杂，利用超声实现兴奋或抑制神经元电活动从而实现疾病干预的需求也不尽相同。因此研究超声双向调控电活动的参数差异性及机制是本项目研究的主要内容。通过声场仿真与设计，我们首先制备了小尺寸，可穿戴式超声换能。结合不同准直器的设计与评估，实现了针对不同刺激靶点的精准，安全刺激。其次，我们利用新型超声刺激芯片兼容离体电生理记录的系统初步进行了超声刺激双向调控神经电活动参数的筛选。我们发现超声双向调控神经元电活动与刺激重复频率密切相关，受基础频率和声压影响较小。在较高刺激重复频率（1KHz）的超声刺激显著提高神经元电活动，而较低刺激重复频率（100Hz）的超声刺激抑制神经元电活动。利用上述超声抑制性效应的参数筛选，我们实现了对癫痫病人病灶组织中癫痫样神经元和癫痫模型小鼠的超声抗癫痫治疗。在癫痫病灶切片研究中，我们发现超声抑制效应参数能显著降低癫痫样神经元的异常放电。在癫痫模型小鼠中，利用闭环癫痫监测兼容超声实时刺激系统发现超声能有效抑制癫痫脑电及行为发作并显著提高生存率。另外，在超声双向调控神经元放电模态的潜在机制研究中，我们初步解析了超声对不同细胞类型，离子通道类型调控的机制。超声的兴奋性调控效应与兴奋性神经元超声刺激直接激活相关，而抑制效应与超声激活中间神经元，提高对兴奋性神经元抑制性突触从而抑制其活动密切相关。同时，超声双向调控神经元放电与钠，钾通道的调控激活比重密切相关。当超声激活钠通道引起的钠离子内流大于钾离子外流时增加神经元放电，反之则抑制神经元放电。该项目的研究为超声神经调控新技术为癫痫等疾病特异性干预奠定了参数基础。