全息经颅超声神经调控通过协同招募分布式脑回路显著提升刺激效能

本研究针对经颅超声刺激(TUS)在神经调控中面临的时空精准控制难题，开发了全息经颅超声(hTUS)技术。通过512通道球形阵列实现多焦点协同刺激，结合宽场钙成像证实hTUS可将激活阈值降低一个数量级(0.9 MPa vs 2.5 MPa)，并首次建立双模型框架(USEM和sCNM)揭示网络互作机制。该成果为探索分布式脑网络功能提供了创新工具，发表于《Nature Biomedical Engineering》。

在神经科学和神经疾病治疗领域，精准调控大脑功能一直是研究者追求的目标。当前主流的非侵入性脑刺激技术如经颅磁刺激(TMS)和经颅直流电刺激(tDCS)存在空间分辨率低、穿透深度有限等问题。经颅超声刺激(TUS)因其毫米级空间分辨率和深部脑区穿透能力被视为革命性技术，但其发展面临两大瓶颈：难以实现精确的时空控制，以及缺乏对超声与神经组织相互作用机制的深入理解。传统单焦点TUS在探索脑网络功能时尤显不足，因为大脑功能依赖于分布式回路的协同工作。

苏黎世大学和以色列理工学院的研究团队在《Nature Biomedical Engineering》发表突破性研究，开发出全息经颅超声(hTUS)神经调控技术。通过512元素球形相控阵实现多焦点动态 steering，结合宽场荧光钙成像系统，首次证实hTUS可通过协同激活分布式神经网络将刺激阈值降低10倍。研究建立的经验-机制双模型框架揭示了辐射力驱动的网络互作机制，为理解超声神经调控提供了新范式。

关键技术包括：(1)定制512通道3MHz球形相控阵实现亚毫米级聚焦(<250μm横向)；(2)GCaMP6f转基因小鼠皮层宽场钙成像(20Hz)；(3)荧光热标记(FTT)校正技术消除温度伪影；(4)超声激发模型(USEM)量化辐射力与激活概率关系；(5)简化皮层网络模型(sCNM)模拟多节点协同激活机制。实验使用10只5-7周龄Thy1-GCaMP6f小鼠(4雌6雄)，经伦理审查批准。

【TUS诱导局部皮层激活】
采用150ms连续超声脉冲(20-131 W/cm² ISPPA)刺激麻醉小鼠体感皮层，通过FTT校正的钙信号显示：单焦点TUS在2.5MPa阈值以上可诱发精确空间对应的Ca²⁺响应(ANOVA P<0.05)，而听觉皮层无显著激活(P=0.758)。

【hTUS显著降低激活阈值】
将阵列分为170元素/焦点组成三角形模式(0.5mm半径)时，激活阈值降至0.9MPa，较单焦点降低72%。声功率分析显示hTUS在0.1W即可激活2mm²区域，而单焦点需>0.1W。

【超越峰值压力的US激发模型】
USEM模型揭示总辐射力(0.15mN)比峰值压力更能预测激活概率。hTUS的激活概率密度(APD)分布显示多焦点产生协同效应，与实验数据定性吻合。

【TUS/hTUS响应的生理基础】
sCNM模型显示：单焦点刺激时，温度依赖性钾电流(I_KT)会抑制后期放电；而hTUS通过AMPA受体电流(I_AMPA)增强节点间同步，使三节点网络在1.1倍阈值压力下即可维持持续放电。

该研究突破了传统超声神经调控的"压力-频率"二元范式，首次证实分布式刺激可通过神经网络协同作用显著提升效能。技术层面，全息声场操控与多模态成像的结合为研究脑网络功能提供了新工具；理论层面，双模型框架为理解超声-神经相互作用提供了新视角。特别值得注意的是，hTUS在0.9MPa(相当于临床相关声强)即可有效激活神经网络，这为阿尔茨海默病等神经退行性疾病的非侵入性治疗开辟了新途径。研究者指出，未来工作将聚焦于将该技术转化至亚兆赫兹频段(适用于人类颅骨穿透)，并探索其对长程脑网络连接的调控机制。