波士顿大学程继新教授与杨辰教授团队通过光致超声实现了超高精度声场，在小鼠模型上实现了无创神经刺激。
该成果在神经刺激领域首次通过非遗传手段实现了超高精度的、高效的无创神经调节，有助于推动脑科学研究与神经疾病的治疗相关的研究。此外，光致超声单脉冲、高压强等特性，标志着其在超声组织摧毁术等临床应用中有着潜在的应用价值。
该成果以“Optically-generated focused ultrasound for noninvasive brain stimulation with ultrahigh precision”为题发表在Light: Science & Applications。
神经调节
是研究通过电、化学、机械等手段刺激或抑制神经细胞功能的科学。
神经刺激可以帮助人们了解不同脑区的功能，并且为相关的神经疾病提供了可能的治疗手段。更高的刺激精度可以帮助人们了解更小的脑区，甚至脑亚区的功能。
现有的神经刺激手段中，电刺激是最为重要的手段之一。它已经被广泛地应用于帕金森、癫痫等疾病的临床治疗中。但是电流在大脑中的传导使它无法高精度得刺激一个亚毫米级别的脑区，且电刺激器件通常需用通过开颅手术植入人体。
光遗传学
是另一种主要的神经刺激手段。它具有极高的空间精度与刺激特定种类的神经细胞的能力，极大地推动了脑科学的发展。但是光遗传学需要通过遗传学手段使神经细胞对光刺激产生响应，这限制了光遗传学在临床中的广泛应用。
在无创神经刺激手段中，经颅磁刺激和经颅直流电刺激都有较低的空间精度，不利于研究脑区功能。在经颅超声的使用中，人们倾向于选择低频超声提供较高的穿颅效率，这使经颅超声一般有着毫米级别的刺激精度。
因此，为了继续推进人们对脑亚区功能的研究，人们亟需开发一种超高精度、非遗传手段的无创神经刺激技术。
近日，波士顿大学程继新教授与杨辰教授团队通过
光致超声
实现了横向精度为
83微米
的超高精度声场，在小鼠模型上实现了高效的无创神经刺激。
光致超声
是指当脉冲光照射某种媒质时，媒质吸收光并将光的能量转换成热，从而产生热膨胀与收缩，进而产生机械波。
在光声转换过程中，人们通常用混合材料提高转换效率。
该研究团队通过蜡烛炭灰和聚二甲基硅氧烷的混合材
料产生高频超声，并且利用此材料的高可塑性的特性，制作了有着接近理论极限的数值孔径的曲面，从而相对于传统经颅超声，将横向精度提升了两个数量级。
光致超声在体外神经元细胞实验中实现了单周期直接和经颅刺激神经元细胞。由于光致超声的单周期的特殊性质，光致超声器件可以以低于传统经颅超声能量三个数量级的超低能量，实现高效的神经刺激。
图2.光致超声经颅刺激体外神经元细胞的钙离子荧光成像。比例尺：50微米。
该研究团队通过免疫荧光成像和电生理学验证了光致超声在小鼠模型上的无创神经刺激。
图3.光致超声在小鼠模型上无创神经刺激的肌电图信号。橙黄色：光致超声刺激。左图：未处理肌电图信号。右图：带通滤波、全波整流和包络后的肌电图信号。
这项工作通过光声效应研发了超高精度光致超声用于无创神经刺激，可以高效地激发神经元响应，为脑科学对脑亚区的研究提供了有效的工具。同时，超高精度光致超声可以以较低的成本扩展为阵列，适用于多位点神经刺激以调节复杂的脑功能。
光致超声器件质量轻，相对于超声阵列，更便于在神经疾病治疗中给病人长时间穿戴。
光致超声器件不会在核磁共振成像中产生电磁干扰，有利于在临床中对神经刺激的效果进行闭环实时观察和调整。
光致超声在提升超声组织摧毁术的时间空间精度有着显著潜力。传统超声换能器在超声组织摧毁术中需要加压到上千伏，有很高的介电击穿的风险。光致超声通过高频率提高了空间精度，单周期提高了时间精度，通过集合设计提供高压强，避免了介电击穿的风险。
光致超声的独特性质标志着其在超声手术等临床应用中提高时间空间精度、减少对周围组织的热积累等损伤的应用价值。
论文信息
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
文章来源：中国光学
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