非侵入式脑刺激 (NIBS) 可以在人类大脑皮层诱导长时程增强 (LTP) 和长时程抑制 (LTD) 类似的可塑性。但是现有的NIBS的空间分辨率和穿透性比较低，严重阻碍了这些技术在基础和临床神经科学中的广泛运用。经颅超声刺激 (TUS) 是新近发展起来的一种功能性神经调控技术，该技术将超声波透过头皮和颅骨传递到皮层组织进行刺激。与现有其它NIBS技术相比，TUS具有高空间分辨率和深刺激深度。当前的研究已经证明超声可以无损伤的瞬间调控人类皮层和皮层下的神经活动，但为了将TUS发展为神经和精神疾病潜在治疗的技术，需要诱导皮层活动在刺激后持久的变化。
近日，加拿大Krembil研究所的 Robert Chen 实验室在 Annals of Neurology 上发表标题为 Induction of Human Motor Cortex Plasticity by Theta Burst Transcranial Ultrasound Stimulation 的研究论文。该研究提出了Theta-burst模式经颅超声刺激 (tbTUS) ，并用经颅磁刺激 (TMS) 诱导的运动诱发电位 (MEP) 评估运动皮层在80秒tbTUS刺激后的兴奋性变化，确定了tbTUS可以增强运动皮层兴奋性至少30分钟，而且拥有较强的尺度效应和较低的个体间变化度。
该研究首先在15个健康被试的运动皮层随机应用 (间隔至少一周) 三种重复超声刺激: tbTUS、rTUS和sham tbTUS。三种刺激范式的刺激时间 (80秒) 和超声剂量 (8秒) 都是相同的。Sham tbTUS采用tbTUS的刺激参数但是超声探头在刺激的时候翻转，使得超声能量没有导入运动皮层。TMS测量表明MEP幅度在tbTUS刺激后第5分钟 (43%) 和30分钟 (27.5%) 都显著增强，且在第60分钟恢复到初始状态。此外，15个被试中有14个被试在tbTUS刺激后的第5分钟和第30分钟的MEP都增强，rTUS和sham tbTUS对MEP幅度没有任何影响。因此tbTUS诱导的皮层可塑性可持续30到60分钟，而且是基于特定的刺激模式。
由于先前有报道称超声刺激可以通过耳蜗振动影响皮层活动，为了排除运动皮层兴奋性的变化是由于超声导致耳蜗振动这种可能性，该研究还调查了枕叶tbTUS对运动皮层兴奋性的影响。因为枕叶和运动皮层的结构和功能连接表较少，所以枕叶活动的变化对运动皮层的兴奋性变化影响比较小。实验结果显示枕叶tbTUS对运动皮层兴奋性没有影响。此外的超声刺激过程中，高斯白噪音通过耳机传递到被试的耳朵中。再加上sham tbTUS (翻转探头) 也没有改变皮层的兴奋性，因此tbTUS诱导的可塑性不能用感觉混淆来解释。
虽然TMS诱导的MEP是评估运动皮层兴奋性的金标准，而且现有的NIBS效应都是由该指标来决定的，但是TMS诱导的MEP实际上反应的是皮质脊髓兴奋性，可受皮层和脊髓兴奋性变化的影响。TMS诱发posterior–anterio r (PA) 方向的电流通过中间神经元间接激活皮层脊髓神经元，而TMS诱发lateral-medial (LM) 方向对电流直接激活皮层脊髓神经元。因此, 该研究采用不同朝向的TMS线圈来确定tbTUS的诱导的可塑性是在皮层还是皮层下。实验结果显示 tbTUS增强PA朝向TMS诱发的MEP但不改变LM朝向的TMS诱发的MEP。因此tbTUS诱导的可塑性发生在皮层而不是皮层下 。此外，该研究还采用paired-pulse TMS 评估运动皮层固有环路的变化，比如运动皮层抑制 (SICI) 和兴奋 (ICF) 环路。实验结果显示， SICI在超声刺激后显著减小而且ICF则显著增强, 这表明tbTUS转移运动皮层抑制/兴奋平衡到更多的兴奋和更少的抑制 。
该研究还探索了tbTUS对行为的影响。12个被试在real和sham tbTUS刺激前后分别做visuo-motor任务，实验结果显示Real tbTUS显著缩短运动时间, 但对反应时间和准确率没有影响；sham tbTUS对所有的运动表现都没有任何影响。该结果表明 tbTUS增强运动皮层功能，这可能与LTP-like可塑性相关 。这些行为结果是初步的，未来的研究可以深入探索tbTUS对运动行为、学习和认知的影响。
现有的NIBS比如TMS和tDCS已经被FDA认证可用于治疗神经和精神疾病比如抑郁症、神经性疼痛和运动障碍，因此本研究提出 tbTUS极有可能成为新的非侵入神经调控治疗方案。此外，TUS具有高空间分辨率和深刺激深度，因此还可以刺激大脑深层区域，为需要对大脑深部区域进行神经调控的疾病开辟现今唯一的非侵入性治疗途径。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ana.26294
制版人：十一
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