低强度聚集超声在神经系统疾病治疗中的研究进展

Progress in Investigating Low-Intensity Focused Ultrasound for the Treatment of Neurological Diseases

摘要: 无创神经调节技术是治疗神经系统疾病的重要手段，多个研究证明低强度聚集超声(Low-intensity focused ultrasound, LIFU)可应用于多种神经系统疾病，如癫痫、阿尔茨海默病、帕金森病等，并显现出了积极的疗效。LIFU可以穿透颅骨，聚集于大脑深部核团，具有无创、高精确性、高穿透深度等优点。本文通过回顾LIFU的技术进展、作用机制以及在神经系统疾病治疗中的应用，总结了LIFU作为一种新型的无创神经调节技术，在神经系统疾病治疗方面的应用前景。研究表明，LIFU通过靶向调控神经元活性及神经可塑性，可能具有改善神经功能障碍的临床转化价值。本综述为LIFU技术的科学化应用与临床转化研究提供了理论框架与方法学参考。

Abstract: Noninvasive neuromodulation techniques are important for the treatment of neurological diseases. Several studies have demonstrated that low-intensity focused ultrasound (LIFU) can be utilized in various neurological diseases, such as epilepsy, Alzheimer’s disease, and Parkinson’s disease, with promising therapeutic effects. LIFU has the ability to penetrate the skull and target deep brain structures, offering advantages such as non-invasiveness, high precision, and significant depth of penetration. This review discusses the technical advancements, mechanisms of action, and clinical applications of LIFU in treating neurological diseases. It summarizes the potential of LIFU as a novel non-invasive neuromodulation technology for the treatment of neurological diseases. The study suggests that LIFU may have clinical translational value in improving neurological dysfunction by targeting and modulating neuronal activity and neuroplasticity. This review provides a theoretical framework and methodological reference for the scientific application and clinical translational research of LIFU technology.

1. 引言

近几十年来，无创脑刺激技术逐渐在神经系统疾病的研究及治疗中发挥重要作用。其中应用最广泛的无创脑刺激技术是经颅直流电刺激和经颅磁刺激。但这些传统的无创脑刺激技术在临床上的应用由于缺乏空间精确度和穿透深度而受到限制。因此，迫切需要具有更高精确度的无创神经调节技术在达到治疗效果的同时不产生脑组织损伤，改善患者的预后。

聚集超声因其能够无创地穿透组织，具有高精确性和穿透深度，在临床治疗应用方面引起了人们极大的兴趣。LIFU作为一种新的无创脑刺激技术具有极大的前景，与传统无创脑刺激技术不同，具有优异的空间特异性、穿透深度和空间分辨率等优势，与深部脑刺激相比，有望达到与有创脑刺激技术相似的治疗效果，成为有创治疗的弥补治疗。研究表明，LIFU能够可逆地调节特定区域的脑功能，可能在不会产生任何脑损伤的情况下兴奋或抑制神经元的活动[1]。

近年来，LIFU因其在神经系统疾病治疗方面的潜在应用价值备受关注，成为研究的热点。本文总结了目前LIFU神经调节领域的前沿研究，讨论了在不同神经系统疾病中LIFU的作用以及LIFU神经调节的机制。

2. 文献检索

作者于2023年3月~2024年3月对PubMed database数据库检索相关文献，检索限定出版时间为2019年1月至2024年3月。采用“Title”、“Abstract”等文献分类进行检索，使用运算符“AND”对以下术语进行组合检索：“Low-intensity Focused Ultrasound”、“LIFU”、“Focused ultrasound”、“Ultrasound”、“Neuromodulation”、“Noninvasive Brain Stimulation”、“Nervous system disease”、“Epilepsy”、“Alzheimer Disease”、“Parkinson’s disease”、“Neuropathic Pain”、“Mood disorders”等。通过上述检索方式共识别出135篇相关文献。文献纳入标准：(1) 公开发表的关于低强度聚集超声治疗神经系统疾病的文献；(2) 英文文献；文献排除标准：(1) 非英文文献；(2) 文献类型为专家评论、会议论文、案例报道、未经同行评审的学位论文等；(3) 不涉及神经系统疾病的文献；(4) 重复文献；(5) 无法获取全文的文献。经评估后，最终纳入33篇符合标准的文献，近5年文献占比96.9%。

3. 超声治疗技术的进展

LIFU是一种非侵入性神经调控方法，通过使用低强度的聚焦超声波对脑部进行精确定位刺激，以可逆和非侵入性的方式刺激或抑制特定的神经回路，实现对特定脑区的调控[2]。

LIFU在临床应用中具有广泛的前景，特别是在神经系统疾病领域。研究表明LIFU可以缓解疼痛，其机制可能是减少神经镇痛物质的释放和减少局部炎症因子[3]。此外，经颅超声刺激可有效调节小鼠的学习行为、细胞凋亡、氧化应激和炎症的表达[4]。帕金森病小鼠模型中，发现LIFU能够刺激多巴胺释放和帮助再生多巴胺能神经元[5]。阿尔茨海默病小鼠模型中，通过LIFU刺激小胶质细胞与β-淀粉样蛋白(Aβ)，发现经过5天LIFU刺激，Aβ清除了近50% [6]。急性癫痫动物模型中，通过LIFU可有效抑制癫痫棘波，并发现其分子机制可能是影响PI3K-Akt-mTOR通路[7]。

4. LIFU潜在机制的研究

目前研究主要从神经细胞、空化效应等方面探讨了LIFU神经调节的潜在机制。大多数研究支持LIFU使嵌入细胞膜内的机械敏感离子通道发生机械变形的假设，其可能的机制是神经细胞膜中的电生理-机械耦合[8]，包括机械敏感离子通道和膜构象状态。机械敏感离子通道可以将机械能(如声波)直接转换为神经信号。Duque等人通过在大鼠和小鼠的体内外进行超声处理，发现一种名为TRPA1的哺乳动物通道蛋白，该蛋白对超声波敏感[2]。当表达该蛋白的哺乳动物胚胎肾-293t细胞受到频率为7 MHz的超声刺激时，可引发钙内流，产生膜电位变化。这些细胞与肌动蛋白细胞骨架相互作用，诱导钙内流[2]。Yoo等人的一项研究为LIFU神经调节的机制解释提供了进一步的证据，该研究表明，机械敏感离子通道的过表达可强化LIFU的效应，而抑制这些通道则导致LIFU的效应降低[9]。研究发现通过超声的机械能外源性诱导，可以改变膜的流动性和渗透性，使膜钾通道电导增加，最终对神经活动产生调节作用[10]。

此外，声空化效应也是一种可能的机制，超声刺激后在细胞膜内形成气泡，引起电容或结构变化，使神经元刺激达到其阈值，产生动作电位。超声刺激形成的气泡可能与声导孔平行，作用于膜的不同部分(即离子通道而不是脂质双层) [8]影响超声神经调节的效果，这在已综述的研究中尚未报道，可以是未来研究的方向。

5. LIFU在神经系统疾病治疗中的应用：

5.1. LIFU治疗阿尔兹海默病

阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease, AD)是最常见的神经退行性疾病，以进行性认知功能衰退为特征。AD越来越普遍，并造成越来越严重的衰弱后果，但目前的治疗方法在预防或减缓AD发展方面效果有限。

磁共振引导下的LIFU已被证明可以可逆地打开阿尔茨海默病患者的血脑屏障[11]-[13]。Park SH等人通过LIFU介导的血脑屏障开放对6名AD患者的双侧额叶区域进行了6次LUFU刺激，在刺激后的三个月对患者进行PET-CT检查，发现Aβ沉积显著减少[12]。同时，有研究也证明LIFU介导的血脑屏障开放对人体Aβ具有减少作用[14]。

Rezai AR等人评估了抗Aβ药物联合LIFU开放血脑屏障影响AD淀粉样蛋白去除的安全性和可行性。通过利用抗Aβ药物联合LIFU对3名AD患者进行治疗，并在治疗后30至180天内进行认知测试和安全性评估。结果发现，接受LIFU治疗的脑区Aβ水平的降低程度显著超过未接受治疗的对侧脑区，且不良事件的发生率较低[15]。Meng等人通过对9名AD患者进行6次LIFU治疗，使双侧海马、前扣带皮层和楔前叶的血脑屏障通透性短暂增加，经过6个月的随访，没有发现严重的不良事件或长期的有害认知影响，证明了其调节血脑屏障通透性的可行性。但与动物实验相比，人体血脑屏障的恢复可能要慢一些，其背后的关系、机制及临床意义可以是未来研究的方向[16]。

此外，研究表明LIFU对海马前额叶皮层(H-PF)通路的功能调节可能对额叶功能起到一定改善作用，并且基于动物和人类实验的研究证明该通路参与基本认知的调节[17]。LIFU可能在不改变血脑屏障通透性的情况下增加海马区活性，通过调节H-PF通路的神经活性改善记忆。目前认为低于血脑屏障破坏阈强度的LIFU是安全的，并可能对AD患者的脑葡萄糖代谢和认知产生有益的影响，有望成为治疗AD的一种新型非侵入性脑刺激方法。

5.2. LIFU治疗癫痫

癫痫是一种由脑神经细胞异常放电引起的短暂性脑功能障碍，可导致患者出现短期意识和行为障碍。药物治疗和手术治疗是癫痫的主要治疗方法，然而大多数抗癫痫药物都有明显的副作用，并且高达60%的耐药癫痫患者由于功能性组织中存在致痫灶或无法确定致痫灶不能进行手术。近年来，LIFU作为癫痫的一种治疗方法受到了广泛的关注。

一项研究显示，经过频率为0.5 MHz的LIFU刺激后，大鼠皮质中神经元的间接标记物GAD65的表达水平显著增加，证明了LIFU对神经元活动的潜在抑制作用[7]。Zhang M等人就LIFU对红藻氨酸(KA)诱导的癫痫大鼠模型大脑功能连接的影响进行了研究[18]。通过频率0.5 MHz的LIFU进行刺激，并测量其指标中的路径长度、局部和全局效率，发现大脑网络连接强度显着降低[18]。此外，LIFU刺激可使δ和θ波段明显下降，提示LIFU可能通过调节特定频段脑电活动实现抗癫痫效应[18]。虽然这些是LIFU在大脑功能连接和活动方面的重要发现，但该研究没有使用多个LIFU参数，并且使用的是急性癫痫诱发模型[18]。此外，在观察预期刺激脑区海马体时，发现LIFU不仅针对海马体[18]，这表明当研究使用啮齿类动物时，刺激区域往往大于预期，这可能导致目标区域的影像难以辨别。然而，该研究仅采用单一超声参数组合，未能系统评估不同超声参数对神经网络的调控效应差异。其次，基于KA诱导的急性癫痫模型可能无法充分模拟临床慢性癫痫的病理特征。此外，研究观察发现实际刺激区域显著超出预设海马体靶区，这可能与啮齿类动物颅骨声阻抗特性及超声束聚焦精度有关，该现象提示在进行跨物种研究时需谨慎评估刺激定位的准确性[18]。因此，未来研究需建立多维参数优化体系，并采用更符合临床特征的慢性癫痫模型，同时结合先进的空间定位技术以提高刺激特异性。

在癫痫猴子模型中，通过30分钟的LIFU刺激，在LIFU刺激后8小时用深度电极记录神经生理效应测量发作参数，发现LIFU显著降低了癫痫发作活动参数，并使癫痫发作间隔时间延长[19]。该研究还表明，LIFU可抑制人类癫痫切片中神经元异常癫痫样放电[19]。这证明了LIFU在高级动物中的治疗效果，为LIFU治疗人类疾病奠定了基础。

5.3. LIFU治疗帕金森病

帕金森病(Parkinson’s disease, PD)是一种慢性进行性神经退行性疾病，补充内源性多巴胺是目前治疗帕金森病的主要手段，但许多的PD药物由于血脑屏障渗透能力差[20]，导致其治疗效果有限。因此，急需找到新的治疗方法来提高药物的治疗效果，并使其对中枢神经的不良影响降到最低。

LIFU在改善PD患者运动症状方面显示出一定潜力。Nicodemus等人的一项对照试验证实，针对患有中度认知障碍的PD患者，LIFU有助于改善粗大运动、精细运动功能以及认知功能[21]。Surya等的一项临床研究拟纳入帕金森病震颤(PT)和特发性震颤(ET)患者评估LIFU治疗震颤的疗效，已在一名受试者身上观察到LIFUS刺激丘脑腹中间核(Vim)能改善患者九孔插板测试结果、提高特发性震颤评估量表(TETRAS)评分[22]。此外，多项动物研究也表明，LITUS有助于改善PD大鼠或小鼠模型的运动能力[5] [23]。在帕金森鼠模型中，通过LIFU治疗10天后发现双侧黑质切片出现神经元修复，神经坏死明显减少，可能是由于LIFU产生的神经元再生和膜通透性改善[5]。这为帕金森病药物治疗难以跨越血脑屏障提供了一个新思路。

5.4. LIFU治疗神经性疼痛

神经性疼痛(Neuropathic Pain, NP)是由于外周或中枢水平的体感系统原发病变和功能障碍引起的疼痛，临床症状表现为自发性疼痛、持续性或麻痹性疼痛、诱发性疼痛、感觉异常等。NP是一种难治性慢性疼痛，在NP小鼠模型中，LIFU通过逆转异常的中枢重塑，调节中枢前扣带回(Anterior Cingulate Cortex, ACC)脑区神经重塑，有效缓解慢性神经性疼痛，从而证明LIFU治疗慢性神经性疼痛的可行性[24]。因此，ACC的突触可塑性与NP密切相关，可视为NP药物干预的重要靶点。

近年来，越来越多的研究表明钾氯协同转运蛋白2 (KCC2)的表达在NP发病机制中起重要作用，增加KCC2的表达可显著缓解NP。在NP小鼠模型中，通过对周围神经损伤小鼠L4-L5脊髓节段进行LIFU刺激，利用免疫印迹和免疫荧光计算磷酸化细胞外信号调节激酶1/2 (p-ERK1/2)，钙调蛋白依赖性蛋白激酶IV (CaMKIV)，磷酸化环磷酸腺苷反应元件结合蛋白(p-CREB)和KCC2的表达，发现LIFU可以抑制CaMKIV-KCC激活通路，抑制CaMKIV和pCREB的表达，增加脊髓背角神经元上KCC2的表达，有效缓解大鼠的NP表现，从而证明LIFU刺激脊髓可有效改善周围神经损伤引起的NP，在NP的临床治疗中具有潜在价值[25]。该研究还通过在L4~L5处横切脊髓进行H&E染色，没有发现水肿、出血、细胞坏死，证明LIFU刺激脊髓是安全的。

此外，研究表明LIFU可能是治疗癌症相关神经性疼痛的可行方法[25]。目前，LIFU治疗癌症相关神经性疼痛尚处于起步阶段，为了进一步研究LIFU对癌症相关神经性疼痛的影响，并确定最有益的治疗参数和治疗方案，必须进行更大规模的前瞻性研究。

5.5. LIFU治疗精神疾病

近年来，随着LIFU临床应用的发展，开始逐渐有关于LIFU治疗精神疾病的报道。Faqi Wang等人通过建立慢性抑郁大鼠模型，比较了不同强度LIFU的抗抑郁效果及其相关神经通路活动和突触功能机制[26]。研究结果表明，以内侧前额叶(mPFC)为靶区，不同强度LIFU的抗抑郁效果没有显著差异，其抗抑郁机制可能与增强vCA1-mPFC通路突触可塑性有关，本研究为应用LIFU治疗抑郁症提供了临床前证据和理论基础[26]。

此外，Sanguinetti JL等人通过对51名健康志愿者样本进行了右额下回LIFU刺激，观察到暴露在500 kHz的LIFU中30秒可以诱导持续30分钟的积极情绪影响[27]，从而证明经颅超声可调节与情绪和焦虑症状有关区域的活动。

近年来的研究为这项技术在精神疾病应用中的安全性和可行性提供了初步证据。这可能为精神疾病的机制探索和治疗提供新的方法。

6. LIFU的安全问题

目前大多数LIFU在声压 < 600 KPa下进行，个别研究使用1000 KPa以上的刺激方案来抑制癫痫发作[28]。一项动物研究表明，强度0.014 mW/cm²的LIFU不会改变健康大鼠运动皮层的兴奋性，而强度0.338~12.15 mW/cm²的LIFU会增加皮层兴奋性[29]。对于人类来说，最低有效刺激强度应该更高，因为69%~87%的超声波会被人类头骨衰减，导致不同患者的能量效率存在差异[30]。通过3D打印技术，可以确定颅骨成分与超声能量之间的相关性，并与实际颅骨成分进行比较，从而确定临床研究所需的最佳超声参数[31]。

LIFU的安全性已在许多研究中得到证实。Legon等人通过7个独立试验，使用不同的超声方案进行人类神经调节，定性评估了轻微不良事件。受试者未出现严重的不良反应，这些研究证明LIFU诱导的阳性症状率与其他已被安全用于人类神经调节的非侵入性神经调节类似，表明LIFU是安全的，有望成为治疗神经系统疾病的新手段。但应用LIFU时仍需谨慎[29]，目前还没有关于LIFU刺激对人脑影响的长期随访研究[32]，还需要进一步研究。

7. 总结与展望

本文对近年来LIFU在神经系统疾病治疗中的研究进行了深入总结。动物研究和人体研究证明LIFU可以无创精确地刺激脑深部特定区域，对神经活动具有兴奋性和抑制性调节作用，表明LIFU在神经系统疾病治疗中具有巨大的潜力，并有望成为目前治疗方法的替代或辅助。虽然LIFU神经调节的机制尚不明确，但其在许多临床疾病中的广泛应用已经证明了其有效性。例如，LIFU结合fMRI可以帮助识别和诊断大脑功能障碍，如，双相躁狂、强迫症、抑郁症、自闭症等，更有针对性地治疗精神和神经系统疾病。LIFU可以无创精确地刺激脑深部特定区域，其诱导的神经抑制可能可以治疗神经性疼痛、癫痫和帕金森病等神经疾病。LIFU还可能在药物治疗和侵入性治疗中发挥一定的作用。LIFU的临床应用仍需进行长期的纵向安全性研究，重点监测各种参数，以确保其安全性。在未来，制定程序化、标准化的治疗策略，以完善个性化治疗模式将成为研究重点，以期在神经系统疾病的治疗中发挥更显著的效果。毫无疑问，随着LIFU的临床研究进一步深入，其潜在的临床应用价值将会不断凸显。

基金项目

安徽省高校自然科学研究重点项目(编号：KJ2021A0350)。

NOTES

^*通讯作者。