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經顱超聲刺激左前海馬區的時程動態研究揭示神經網絡的差異化調控模式
《Current Research in Neurobiology》:Temporal dynamics of offline transcranial ultrasound stimulation
【字體: 大 中 小 】 時間:2025年05月07日 來源:Current Research in Neurobiology CS2.2
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研究人員針對經顱超聲刺激(TUS)效應持續時間不明確的問題,開展了靈長類動物左前海馬區離線TUS的時程動態研究。通過采集52組靜息態功能磁共振成像(rs-fMRI)數據,發現TUS可誘導功能連接(R2)在40-60分鐘內短暫增強,而低頻波動振幅(fALFF)和區域同質性(ReHo)變化可持續超100分鐘。該研究為開發長效TUS人類應用提供了重要時程參考。
神經調控技術正迎來革命性突破,其中經顱超聲刺激(TUS)因其非侵入性和深部腦區精準靶向特性備受關注。然而,TUS效應的持續時間及其在大腦網絡中的動態變化規律仍不明確,這嚴重制約了其在臨床轉化中的應用,F有研究多聚焦于"在線"刺激的即時效應,對"離線"刺激的長期影響缺乏系統評估,且多數數據集統計效力不足。更關鍵的是,不同神經功能指標(如功能連接、自發神經活動等)可能呈現差異化時程特征,這一假設亟需高精度數據驗證。
為解決這些問題,來自英國紐卡斯爾大學等機構的研究團隊在《Current Research in Neurobiology》發表了一項開創性研究。他們以恒河猴為模型,針對高度互聯的左前海馬區實施TUS,通過52次靜息態功能磁共振成像(rs-fMRI)掃描,構建了迄今最高統計效力的TUS時程數據集。研究發現顛覆了傳統認知:功能連接性變化(R2)呈現短暫時間窗(40-60分鐘)增強,而自發神經活動(fALFF)和局部同步性(ReHo)的改變則持續更久(>100分鐘)。這種雙重時程模式為開發精準化TUS治療方案提供了全新視角。
研究采用多項關鍵技術:1)清醒恒河猴模型避免了麻醉干擾;2)250kHz經顱超聲精準靶向左前海馬區;3)52次rs-fMRI掃描(25次TUS后,27次對照)獲取高時空分辨率數據;4)基于廣義加性模型(GAM)的時程分析;5)隨機森林算法預測TUS效應;6)擴散加權成像(DWI)構建結構連接圖譜。
"TUS改變功能連接的時程受限特征"部分揭示,左前海馬區與右側前運動皮層、小腦等區域的連接增強僅維持約20分鐘(43-62分鐘)。這種短暫而強烈的網絡重組可能反映急性期神經可塑性調節。"TUS改變內在腦功能的時程擴散特征"則顯示更持久的fALFF和ReHo變化:右側殼核fALFF增高持續11分鐘(41-52分鐘),而左側后內側皮層ReHo降低延續14分鐘(41-55分鐘)。這種"雙速"動態提示不同神經活動維度存在差異化調控機制。
在"TUS效應傳播"方面的發現尤為引人注目。刺激不僅影響靶區,還引發對側海馬區代償性ReHo增高(延遲16分鐘出現),這與人類癲癇患者的跨半球代償現象相似。更關鍵的是,研究首次證實TUS可同時調控后內側-前顳葉(PMAT)系統的兩個核心節點,為記憶環路干預提供了新靶點。隨機森林模型進一步顯示,基線fALFF和ReHo能高精度預測(準確率>85%)哪些腦區會對TUS產生響應,這為個體化神經調控奠定了基礎。
討論部分強調了三大突破:首先,研究否定了"TUS效應均勻衰減"的傳統假設,揭示出指標特異性時程規律——功能連接變化短暫而自發神經活動改變持久。其次,證實TUS效應可通過PMAT系統遠距離傳播,這對阿爾茨海默病等記憶障礙的治療具有啟示意義。最后,建立的預測模型將助力臨床轉化,使有限次掃描即可預估個體對TUS的響應模式。
該研究的局限性包括單一個體數據和30分鐘前的效應空白期。但研究者通過數據縮減分析證明,即使僅用60%數據仍可檢測主要效應,這為人類研究設計提供了重要參考。未來工作需在更多個體驗證這些發現,并探索TUS誘導長時程增強(LTP)的分子機制。這項研究為開發基于時程特性的精準神經調控策略奠定了堅實基礎,標志著TUS從實驗室工具向臨床干預手段邁出了關鍵一步。
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