波士頓大學程繼新教授與楊辰教授團隊通過光致超聲實現了超高精度聲場，在小鼠模型上實現了無創神經刺激。
該成果在神經刺激領域首次通過非遺傳手段實現了超高精度的、高效的無創神經調節，有助于推動腦科學研究與神經疾病的治療相關的研究。此外，光致超聲單脈沖、高壓強等特性，標志著其在超聲組織摧毀術等臨床應用中有著潛在的應用價值。
該成果以“Optically-generated focused ultrasound for noninvasive brain stimulation with ultrahigh precision”為題發表在Light: Science & Applications。
神經調節
是研究通過電、化學、機械等手段刺激或抑制神經細胞功能的科學。
神經刺激可以幫助人們了解不同腦區的功能，并且為相關的神經疾病提供了可能的治療手段。更高的刺激精度可以幫助人們了解更小的腦區，甚至腦亞區的功能。
現有的神經刺激手段中，電刺激是最為重要的手段之一。它已經被廣泛地應用于帕金森、癲癇等疾病的臨床治療中。但是電流在大腦中的傳導使它無法高精度得刺激一個亞毫米級別的腦區，且電刺激器件通常需用通過開顱手術植入人體。
光遺傳學
是另一種主要的神經刺激手段。它具有極高的空間精度與刺激特定種類的神經細胞的能力，極大地推動了腦科學的發展。但是光遺傳學需要通過遺傳學手段使神經細胞對光刺激產生響應，這限制了光遺傳學在臨床中的廣泛應用。
在無創神經刺激手段中，經顱磁刺激和經顱直流電刺激都有較低的空間精度，不利于研究腦區功能。在經顱超聲的使用中，人們傾向于選擇低頻超聲提供較高的穿顱效率，這使經顱超聲一般有著毫米級別的刺激精度。
因此，為了繼續推進人們對腦亞區功能的研究，人們亟需開發一種超高精度、非遺傳手段的無創神經刺激技術。
近日，波士頓大學程繼新教授與楊辰教授團隊通過
光致超聲
實現了橫向精度為
83微米
的超高精度聲場，在小鼠模型上實現了高效的無創神經刺激。
光致超聲
是指當脈沖光照射某種媒質時，媒質吸收光并將光的能量轉換成熱，從而產生熱膨脹與收縮，進而產生機械波。
在光聲轉換過程中，人們通常用混合材料提高轉換效率。
該研究團隊通過蠟燭炭灰和聚二甲基硅氧烷的混合材
料產生高頻超聲，并且利用此材料的高可塑性的特性，制作了有著接近理論極限的數值孔徑的曲面，從而相對于傳統經顱超聲，將橫向精度提升了兩個數量級。
光致超聲在體外神經元細胞實驗中實現了單周期直接和經顱刺激神經元細胞。由于光致超聲的單周期的特殊性質，光致超聲器件可以以低于傳統經顱超聲能量三個數量級的超低能量，實現高效的神經刺激。
圖2.光致超聲經顱刺激體外神經元細胞的鈣離子熒光成像。比例尺：50微米。
該研究團隊通過免疫熒光成像和電生理學驗證了光致超聲在小鼠模型上的無創神經刺激。
圖3.光致超聲在小鼠模型上無創神經刺激的肌電圖信號。橙黃色：光致超聲刺激。左圖：未處理肌電圖信號。右圖：帶通濾波、全波整流和包絡后的肌電圖信號。
這項工作通過光聲效應研發了超高精度光致超聲用于無創神經刺激，可以高效地激發神經元響應，為腦科學對腦亞區的研究提供了有效的工具。同時，超高精度光致超聲可以以較低的成本擴展為陣列，適用于多位點神經刺激以調節復雜的腦功能。
光致超聲器件質量輕，相對于超聲陣列，更便于在神經疾病治療中給病人長時間穿戴。
光致超聲器件不會在核磁共振成像中產生電磁干擾，有利于在臨床中對神經刺激的效果進行閉環實時觀察和調整。
光致超聲在提升超聲組織摧毀術的時間空間精度有著顯著潛力。傳統超聲換能器在超聲組織摧毀術中需要加壓到上千伏，有很高的介電擊穿的風險。光致超聲通過高頻率提高了空間精度，單周期提高了時間精度，通過集合設計提供高壓強，避免了介電擊穿的風險。
光致超聲的獨特性質標志著其在超聲手術等臨床應用中提高時間空間精度、減少對周圍組織的熱積累等損傷的應用價值。
論文信息
Li, Y., Jiang, Y., Lan, L. et al. Optically-generated focused ultrasound for noninvasive brain stimulation with ultrahigh precision. Light Sci Appl 11, 321 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41377-022-01004-2
文章來源：中國光學
