腦智卓越中心在關(guān)于低強(qiáng)度超聲直接調(diào)控小腦皮層神經(jīng)活動(dòng)的研究中獲進(jìn)展

來(lái)源：腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心時(shí)間：2023-06-14 09:38:26

(資料圖)

近日，中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心研究員熊志奇團(tuán)隊(duì)在《腦刺激》（Brain Stimulation）上發(fā)表題為Low-intensity ultrasound directly modulates neural activity of the cerebellar cortex的研究論文。該研究工作建立了從神經(jīng)元到動(dòng)物行為水平衡量超聲神經(jīng)調(diào)控效應(yīng)的研究范式，利用雙光子活體鈣成像技術(shù)和陣發(fā)性運(yùn)動(dòng)障礙模型小鼠，發(fā)現(xiàn)低強(qiáng)度超聲對(duì)小腦皮層神經(jīng)活動(dòng)具有直接興奮作用，提示了經(jīng)顱超聲作為一種新型的非侵入式神經(jīng)調(diào)控技術(shù)，具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

神經(jīng)調(diào)控技術(shù)是指運(yùn)用聲、光、電、磁等手段對(duì)神經(jīng)活動(dòng)進(jìn)行人為操縱的方法。非侵入式的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)不僅可以輔助神經(jīng)科學(xué)的基礎(chǔ)研究，而且對(duì)腦機(jī)接口的轉(zhuǎn)化應(yīng)用和腦疾病的臨床干預(yù)具有重要作用。相較于傳統(tǒng)的經(jīng)顱磁刺激和經(jīng)顱電刺激，新興的經(jīng)顱聚焦超聲具有空間精度高和可特異作用于深部腦區(qū)等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是下一代的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)。然而，盡管過往研究提示了超聲對(duì)大腦部分區(qū)域的神經(jīng)調(diào)控作用，超聲對(duì)小腦活動(dòng)的調(diào)控潛力尚有待挖掘。另一方面，前人研究中存在的方法學(xué)局限性，在學(xué)界引起了關(guān)于超聲是否具有直接調(diào)控神經(jīng)活動(dòng)的爭(zhēng)論。??

熊志奇團(tuán)隊(duì)利用雙光子活體鈣成像技術(shù)（圖A）發(fā)現(xiàn)低強(qiáng)度超聲可在清醒小鼠小腦顆粒細(xì)胞內(nèi)誘發(fā)快速響應(yīng)的鈣離子信號(hào)上升，且刺激結(jié)束后存在廣泛的持續(xù)效應(yīng)（圖C和圖D）。研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)多次重復(fù)的低強(qiáng)度超聲在浦肯野細(xì)胞中穩(wěn)定誘導(dǎo)了鈣離子濃度即時(shí)增加和刺激后持續(xù)效應(yīng)，且調(diào)控效率正向依賴于聲學(xué)劑量（圖E和圖F），而脫靶刺激未引起浦肯野細(xì)胞內(nèi)鈣離子的顯著改變。利用實(shí)驗(yàn)室前期構(gòu)建的Prrt2基因突變型小鼠（圖B），研究人員發(fā)現(xiàn)經(jīng)顱超聲可重復(fù)誘導(dǎo)動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)行為改變（圖G）。

該研究利用雙光子活體鈣成像系統(tǒng)地檢測(cè)了小腦神經(jīng)元對(duì)低強(qiáng)度超聲的響應(yīng)模式，并提出了一種全新的超聲神經(jīng)調(diào)控行為學(xué)檢測(cè)范式，從超聲誘導(dǎo)的持續(xù)效應(yīng)、脫靶刺激下神經(jīng)元響應(yīng)的消除和小鼠運(yùn)動(dòng)行為的誘發(fā)三方面共同揭示了低強(qiáng)度超聲對(duì)小腦皮層的直接興奮作用。該工作為理解超聲神經(jīng)調(diào)控的作用機(jī)制提供了新的線索，擴(kuò)展了以小腦為目標(biāo)靶點(diǎn)的非侵入式神經(jīng)調(diào)控技術(shù)工具集，對(duì)后續(xù)研究和轉(zhuǎn)化應(yīng)用具有積極推動(dòng)作用。

相關(guān)研究工作得到科學(xué)技術(shù)部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院和上海市的資助。

論文鏈接

圖（A）在小腦皮層進(jìn)行同步超聲刺激和雙光子鈣成像。（B）Prrt2基因突變型小鼠在小腦氯化鉀刺激后出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)障礙樣行為。（C和D）超聲誘導(dǎo)小腦顆粒細(xì)胞軸突末梢鈣信號(hào)上升。（E和F）超聲誘導(dǎo)小腦浦肯野細(xì)胞樹突鈣信號(hào)上升。（G）Prrt2基因突變型小鼠在小腦超聲刺激后出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)行為改變。

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