经颅超声刺激与迷走神经刺激：阿尔茨海默病的潜在治疗策略
1. 引言
阿尔茨海默病（AD）是一种以显著遗忘性认知障碍为主要特征的神经退行性疾病，其核心病理特征包括β-淀粉样蛋白（Aβ）沉积和Tau蛋白的神经原纤维缠结。全球痴呆患者人数庞大且仍在快速增长，而传统的药物治疗及常规神经调控疗法效果有限。面对传统药物疗法的局限，神经调控技术已成为AD有前景的非药物干预策略。然而，现有的非侵入性脑刺激技术如重复经颅磁刺激（rTMS）、经颅直流电刺激（tDCS）等，在AD临床应用上仍面临作用深度有限、对AD广泛的神经炎症及外周-中枢免疫信号通路影响相对较弱等挑战。为此，本篇综述聚焦于两种前景广阔但路径不同的神经调控策略：迷走神经刺激（VNS）和经颅超声刺激（TUS），旨在通过神经调控有效干预AD进程。
2. AD的主要病理生理学
2.1. Aβ蛋白沉积
Aβ级联假说认为，大脑中Aβ产生和聚集的增加是AD的核心致病机制。Aβ沉积源于淀粉样前体蛋白（APP）被β-分泌酶和γ-分泌酶异常切割，产生具有神经毒性的Aβ42寡聚体。在生理条件下，Aβ是神经元的正常代谢副产物，机体通过降解途径维持Aβ产生与清除的动态平衡。但当Aβ降解机制受损，可溶的Aβ42寡聚体在脑实质内异常聚集，随后形成不溶性淀粉样斑块。这些斑块主要积聚在海马体、内嗅皮层、颞叶和顶叶等对记忆和认知功能至关重要的区域，通过破坏突触功能、诱导氧化应激和神经炎症等途径发挥神经毒性作用，最终导致神经元死亡和认知能力下降。
2.2. 异常Tau蛋白
Tau蛋白是一种微管相关蛋白，主要定位于神经元轴突，在稳定微管结构和促进神经元运输功能中起着至关重要的作用。在AD患者中，Tau蛋白发生异常和过度的磷酸化，显著削弱了其与微管结合的能力，导致其从微管上解离，改变自身稳定性并发生错误折叠。在AD发病早期，错误折叠的Tau蛋白形成可溶性有毒寡聚体，这些寡聚体进一步聚集成不溶性的神经原纤维缠结（NFTs）并异常沉积在神经元胞质内。同时，病理性的Tau蛋白可以在神经元之间传播，招募正常的Tau蛋白形成新的聚集体，最终破坏微管稳定性，损害轴突运输，并引发神经元死亡。
2.3. 神经炎症
慢性神经炎症损伤是AD认知障碍的主要原因之一。Aβ斑块和Tau蛋白聚集体作为损伤相关分子模式（DAMPs），通过与表面模式识别受体结合，持续激活小胶质细胞。被激活的小胶质细胞本应通过清除Aβ和细胞碎片发挥保护作用，但其长期激活会损害其清除功能，并诱导其向促炎（M1）表型极化，表现为促炎标志物上调和抗炎标志物下调。激活的M1小胶质细胞过度释放促炎细胞因子（如IL-1β、IL-6、TNF-α），这些炎症介质直接损伤神经元和突触，诱导神经元凋亡，最终引发认知能力下降等核心临床症状。
3. TUS在AD中的研究现状
在非侵入性干预方法中，TUS已成为一种新兴的脑刺激技术。它通过将声能经颅骨传递到大脑内的特定靶区来实现神经调控。TUS能够以约2毫米的空间分辨率实现深度刺激，能够精确靶向深部脑结构，并提供更高的空间分辨率。常见的经颅超声刺激技术包括高强度聚焦超声（HIFU）和低强度聚焦超声（LIFU），其中用于神经调控的低强度聚焦超声（又称经颅聚焦超声刺激，tFUS）是目前唯一兼具非侵入性、高穿透深度和高空间分辨率的脑刺激技术。低强度TUS干预期间颅骨表面温度变化极小，表明其神经调节机制主要与超声的非热效应相关。
3.1. TUS在AD中的证据基础：基础研究与临床应用
3.1.1. 基础研究证据
临床前研究表明，TUS在多种AD动物模型中显示出多方面的治疗潜力。聚焦超声（FUS）介导的血脑屏障（BBB）开放已被广泛证明可有效减少海马体和皮层等关键脑区的Aβ斑块沉积和磷酸化Tau蛋白病理，并显著改善模型动物的空间记忆。值得注意的是，这些病理清除和认知增强效果在重复治疗后持续存在并得到放大。机制研究表明，FUS介导的血脑屏障开放（FUS-BBBO）可能通过激活小胶质细胞的吞噬活性、上调胆固醇转运受体（如LRP1b）以及调节糖酵解、突触和泛素化等途径中的蛋白质来实现。然而，特定参数下的低强度脉冲超声（LIPU）单独对BBB开放以清除Tau病理的效果存在争议，甚至在P301S模型中观察到可能加重的现象。除了清除病理蛋白，TUS还被证明可以直接增强神经可塑性，例如诱导并可持续地维持海马长时程增强（LTP）、促进神经发生，以及通过激活内皮一氧化氮合酶（eNOS）通路来改善脑血流、增加神经营养因子表达和减少神经炎症。特别值得注意的是，γ节律（40 Hz）TUS被证明可在不破坏BBB的情况下，显著降低皮层和海马Aβ负荷并减少Aβ斑块，同时有效增强自发脑电图γ功率并改善交叉频率相位-幅度耦合（PAC）。大多数研究评估了其安全性，但一些研究也强调需要仔细选择参数以避免潜在风险。
3.1.2. 临床应用证据
随着TUS技术在AD治疗领域的快速发展，多项临床研究已初步验证了其安全性和潜在疗效，同时揭示了其作用机制的多样性。初步研究表明，即使在低强度参数下不打开BBB，针对海马的单次或多次tFUS也能安全、显著地增加目标区域的局部脑葡萄糖代谢（rCMRglu），并与特定记忆功能的短期改善相关。当采用BBB开放策略时，研究证实了该手术在AD患者中的安全性和可行性，可诱导目标区域Aβ斑块负荷显著减少。这种病理学改善与认知功能增益显著相关，部分效果在5-12个月的随访期内持续存在。便携式导航系统结合实时空化监测进一步增强了门诊BBB开放手术的安全性和可预测性。值得注意的是，低强度TUS还能显著增加关键脑区（如胼胝体、外侧眶额叶皮层）的体积，这些结构变化与认知改善呈正相关。经颅脉冲刺激（TPS）作为一种特定的TUS模式，在轻至重度AD患者的广泛皮层靶点中显示出良好的安全性和改善主观症状、抑郁及某些客观认知指标的潜力。此外，影像学研究表明，FUS介导的BBB开放可能伴随着独特的瞬时静脉周围延迟强化现象，反映了脑膜静脉壁通透性增加，并暗示了潜在的免疫调节机制。
3.2. TUS治疗AD的作用机制
3.2.1. 激活离子通道
TUS调节神经活动的关键机制在于其机械力效应，可诱导局部组织微变形并激活细胞膜上的机械敏感离子通道。研究表明，Piezo1通道是TUS介导的神经调节的核心效应器。TUS诱导的机械刺激可导致膜张力变化，作用于神经元和相关细胞（如星形胶质细胞）膜上的Piezo1通道，导致这种机械门控阳离子通道发生构象变化并打开，从而触发显著的阳离子内流，尤其是Ca2+。Piezo1介导的Ca2+内流是一个关键的初始信号事件，随后触发下游钙依赖性信号通路，最终调节神经元兴奋性、神经递质释放和突触可塑性。此外，TUS可能通过类似机制影响其他机械敏感通道，但Piezo1的激活及其引发的钙信号级联反应很可能是核心机制。
3.2.2. 开放血脑屏障
在TUS神经调节领域，BBB的双重性尤为关键。它一方面保护大脑，防止潜在有毒的大分子或亲水性物质进入中枢神经系统，但同时也显著阻碍了大多数针对AD的药物到达其大脑靶点。应对这一挑战，低强度tFUS联合微泡技术提供了一种创新的解决方案。其核心机制利用了微泡的空化效应。此过程暂时松弛BBB内皮细胞间的紧密连接，扩大细胞间隙。这不仅有利于Aβ的外排，还为抗Aβ抗体等治疗性大分子创造了递送窗口，使高效靶向药物递送至特定脑区成为可能，并显著减少目标脑区的Aβ斑块负荷。值得注意的是，即使没有额外的药物辅助，仅tFUS介导的BBB开放本身已被证明可有效减少淀粉样斑块负荷，并伴有神经可塑性和空间记忆功能的改善。然而，此效应需要严格控制机械指数，以避免高强度超声可能导致的破坏性BBB损伤。
3.2.3. 激活小胶质细胞
TUS通过多靶点协同机制激活小胶质细胞，有效减少AD模型中的Aβ沉积。具体而言，TUS联合微泡打开BBB，促进白蛋白和免疫球蛋白等血液源性分子渗入脑实质，触发小胶质细胞的免疫反应，增强其迁移能力和吞噬功能，从而促进Aβ斑块清除。TUS还上调炎症介质和CCL2、CXCL1等趋化因子的表达，并进一步募集更多小胶质细胞参与免疫调节。同时，TUS施加的机械力直接激活小胶质细胞上的机械敏感通道，驱动Ca2+内流，重塑细胞形态，增强运动性和吞噬活性。这种直接的机械刺激也促进抗炎因子如IL-10和神经营养因子如脑源性神经营养因子（BDNF）的分泌。此外，TUS通过改变血管内皮微环境和募集巨噬细胞、T细胞等外周免疫细胞，间接调节小胶质细胞、神经元和血管之间的相互作用。值得注意的是，FUS单独使用也能调节小胶质细胞的吞噬功能，从而促进Aβ清除。研究表明，重复TUS治疗可激活小胶质细胞，显著增强其对Aβ的吞噬清除能力，治疗小鼠在行为测试中表现出学习和记忆能力的改善。这些机制共同实现了清除病理蛋白和提供神经保护的治疗效果。
3.2.4. 其他相关机制
TUS可能通过额外机制改善AD。除已知效应外，TUS可通过调节神经振荡活动（如增加theta和gamma波段同步性）来改善AD相关的异常脑电图活动和认知功能。具体而言，它通过调节抑制性神经递质系统（包括调节GABA-A受体亚基水平）来缓解异常gamma振荡。此外，它显著调节神经血管耦合功能，优化脑血氧代谢的时域和频域特性，从而增强神经活动与血管反应之间的协调性。
4. VNS在AD中的研究现状
迷走神经刺激是一种主要通过电刺激迷走神经来影响大脑活动和全身生理功能的神经调节疗法。刺激方法包括侵入式和非侵入式（如经耳和经皮），VNS已被证明可通过多种途径治疗神经系统疾病。鉴于VNS在调节神经炎症和小胶质细胞表型方面的已证实疗效，探索其作为AD神经调控策略的潜力具有重要意义。
4.1. VNS在AD中的证据基础：基础研究与临床应用
4.1.1. 基础研究证据
尽管目前关于VNS直接应用于AD动物模型的研究仍相对有限，但现有证据已初步揭示其干预潜力。在Aβ注射诱导的AD模型中进行为期21天的侵入式VNS干预，发现其在旷场试验中的运动距离显著增加，神经精神行为指标也得到明显改善。有研究团队将重点放在小胶质细胞表型转换上，对6月龄和12月龄APP/PS1转基因小鼠应用侵入式VNS。结果表明，在老年AD模型中进行干预后，小胶质细胞形态发生显著改变，从神经破坏性表型转变为神经保护性表型。相比之下，另一项研究采用了更非侵入性的方法，使用经皮耳迷走神经刺激（taVNS）对6月龄APP/PS1小鼠进行15天干预。该干预不仅显著增强了空间学习和记忆能力，同时还降低了大脑中Aβ1-40、Aβ1-42以及促炎前体pro-IL-1β和pro-IL-18的水平。因此，现有证据表明，VNS可在多种AD模型中改善核心病理、保护神经元并显著增强认知功能，为临床转化奠定了坚实基础。
4.1.2. 临床应用证据
现有临床研究已初步证明植入式迷走神经刺激（iVNS）作为AD干预手段的潜力。一项研究对10名AD患者进行iVNS治疗，发现在治疗3个月后，7名患者的ADAS-Cog评分改善了3.0分，6个月后改善了2.5分；同时9名患者的MMSE评分在3个月和6个月后分别增加了1.5分和2.5分。基于这些积极结果，该研究扩大至17名患者并进行为期1年的随访，结果显示7名患者保持或改善了ADAS-Cog评分，12名患者的MMSE评分与基线相比有改善或未下降，证实了iVNS具有良好的耐受性。值得注意的是，虽然使用VNS治疗AD的临床研究仍然有限，但在认知障碍领域的证据更为充分。一项针对轻度认知障碍（MCI）患者的双盲随机对照试验表明，taVNS可显著改善整体认知功能和记忆能力，且安全性良好。鉴于MCI是AD的前驱阶段，这些发现表明taVNS作为延缓AD认知衰退的非药物干预手段具有潜在的临床价值。功能影像研究进一步证实，经皮迷走神经刺激（tVNS）特异性调节MCI患者语义网络和海马回路内的功能连接：它显著增强了双侧颞极-上海马旁回和右侧颞极-前扣带回等AD易损脑区的连接，同时改变了海马投射到前额叶/颞叶皮层的连接。这些发现表明，tVNS可能通过蓝斑-去甲肾上腺素能通路和胆碱能调节，延缓AD相关的脑功能衰退，为其作为AD干预策略提供了神经生物学基础。在机制上，VNS通过增强去甲肾上腺素（NE）和γ-氨基丁酸（GABA）的释放来调节大脑活动。GABA能增强可加强海马LTP以巩固记忆，这直接对抗了AD的核心症状，突显了其作为AD干预策略的临床潜力。
4.2. VNS治疗AD的作用机制
4.2.1. 抑制神经炎症
VNS的抗炎作用现已广为人知，其中包括胆碱能抗炎通路（CAP）。当电脉冲刺激迷走神经时，信号首先传递到脑干内的核团。这些核团发出传出迷走神经纤维，通过脾神经下行。激活后，脾神经在其脾内末梢释放NE。然后NE通过去甲肾上腺素能途径刺激脾T细胞释放乙酰胆碱（ACh）。ACh激活脾细胞表面的α7烟碱型乙酰胆碱受体（α7nAChR），从而减少巨噬细胞炎症细胞因子的合成和释放，发挥抗炎作用。鉴于持续性神经炎症是AD的关键病理标志，VNS的抗炎作用为治疗AD中持续有害的慢性神经炎症提供了重要的病理生理学基础。值得注意的是，经典的胆碱能抗炎通路主要依赖于迷走神经传出纤维对外周免疫器官的调节，其抗炎作用主要是外周的。外周炎症的下调可通过迷走神经传入纤维发挥中枢抗炎作用。此外，VNS的中枢直接抗炎作用也可以通过激活大脑中的α7nAChR来实现。研究表明，在脑缺血模型中，VNS通过α7nAChR直接抑制小胶质细胞中NLRP3炎症小体的组装和激活。进一步的研究揭示，α7nAChR的激活驱动小胶质细胞的表型转换，将促炎的M1小胶质细胞转化为抗炎的M2小胶质细胞。M2小胶质细胞分泌包括IL-4、IL-10、TGF-β和BDNF在内的抗炎因子，从而抑制神经炎症并促进组织修复。
4.2.2. 促进神经营养作用和突触可塑性
VNS通过激活从蓝斑到中缝背核的上行投射通路，促进NE和5-羟色胺（5-HT）的释放。这导致海马和前额叶皮层中β-肾上腺素能受体和5-HT受体的上调，从而增强BDNF的表达和释放。释放的NE和BDNF在突触形成和稳定中起着至关重要的支持作用。同时，BDNF作为关键的神经营养因子，通过结合其同源受体TrkB激活下游神经保护通路（如MAPK-ERK）。这不仅为神经元存活和分化提供了必要的支持，还直接增强了突触可塑性。此外，VNS协同抑制神经炎症（例如通过减少TNF-α和IL-1β），可能在逆转炎症诱导的BDNF下调中发挥作用，共同对抗AD中的突触丧失和神经退行性病理。
4.2.3. 改善类淋巴循环
类淋巴系统功能障碍可能损害大脑内代谢废物的清除，促进Aβ沉积，从而加剧AD的病理进展。值得注意的是，研究证实，在临床参数（30 Hz，10%占空比）下应用VNS可显著增强脑脊液（CSF）向小鼠脑实质的渗透，表明VNS可能通过调节CSF-组织间液（ISF）交换和大脑废物清除机制来发挥作用。关于其具体机制，这可能与VNS改变心肺功能（心率/呼吸），从而改变脑血流动力学有关。具体而言，VNS可能通过扩张脑血管和增加动脉搏动，显著提高CSF-ISF循环效率。增强的动脉搏动驱动CSF沿动脉周围间隙流入深部脑实质，与富含Aβ等废物的ISF混合。随后，在星形胶质细胞终足中的水通道蛋白4（AQP4）介导下，混合物通过血管周围途径流入静脉周围间隙；最终，这些富含废物的液体通过脑膜淋巴系统被引流至深部颈淋巴结进行清除。此过程可能构成了VNS干预调节AD病理并促进大脑内有毒物质清除的机制。
4.2.4. 调节脑-肠轴
脑-肠轴是连接中枢神经系统与胃肠道之间的双向调节通路。其核心传递通路——迷走神经通路——通过传入纤维感知肠道菌群的代谢产物（如短链脂肪酸和色氨酸衍生物），并将信号传递至中枢神经系统。研究表明，在AD的病理背景下，APP/PS1转基因小鼠模型证实了肠道菌群失调与认知障碍之间存在显著相关性。携带AD发病突变基因APP/PS1的小鼠在出现认知障碍症状后，与正常小鼠相比肠道菌群组成发生改变。在接受正常小鼠的粪便微生物移植（FMT）后，其认知功能得到显著改善。VNS激活CAP，上调肠胶质细胞表达，从而抑制NF-κB信号通路，减少促炎细胞因子（TNF-α、IL-6）的释放，并维持肠黏膜完整性。此过程不仅改变了菌群失调诱导的肠道炎症，还通过双向的肠-脑调节减少了炎症从外周向中枢的传递，最终延缓了AD神经病理进展。
5. VNS和TUS相对于AD常规疗法的比较优势与协同潜力
与传统的AD药物疗法和其他神经调控技术相比，VNS和TUS展现出独特的治疗价值。虽然AD药物如胆碱酯酶抑制剂、NMDA受体拮抗剂和靶向Aβ的抗体通常针对单一病理通路，但VNS和TUS采用多靶点协同机制，可同时调节神经炎症、蛋白质清除、突触可塑性和神经网络功能等AD核心病理，更好地适应疾病的复杂病理生理学。在安全性方面，两种方法都规避了药物疗法的常见挑战，包括BBB穿透效率低、全身性副作用（如抗Aβ抗体的ARIA风险）以及长期用药耐受性问题。
然而，VNS和TUS在临床转化过程中仍面临不可忽视的局限性和技术挑战。对于TUS，颅骨的个体间解剖异质性（特别是厚度和密度的差异）可能导致超声聚焦精度和能量传输效率的变异性，从而影响治疗效果。此外，经颅超声传播过程中的声散射和反射会导致焦点偏移和能量衰减，这在较高刺激频率下尤为明显。在安全性方面，虽然TUS通常耐受性良好，但仍存在热损伤的潜在风险。未来策略可能包括基于个体颅骨解剖特征建立个体化剂量调节方案，以平衡疗效和安全性。对于VNS，其局限性与刺激方式密切相关。虽然侵入式VNS可提供稳定持续的刺激，但需要手术植入，伴随感染和脉冲发生器更换等手术相关风险。更常见的是刺激相关的自主神经副作用，包括声音嘶哑、咳嗽和心动过缓。虽然经皮VNS避免了手术风险，但其刺激强度有限，并且对深部脑核团的激活效果可能弱于侵入式VNS。
与深部脑刺激（DBS）等侵入性神经调控技术相比，VNS和TUS在干预方法上具有显著优势。经耳和经皮VNS是非侵入性的，而侵入式VNS仅需在颈部或胸部进行微创植入，大幅降低了颅内手术的相关风险。TUS则是完全非侵入性的，可精确聚焦超声能量靶向深部脑区，且没有物理植入物的不可逆性。此
