冯湘君，罗凯旋，高一平，敖丽娟

昆明医科大学康复学院，昆明650000

超声不只是一种检查手段，在疾病治疗方面也发挥着不可替代的作用。聚焦超声(FUS)具有良好的组织穿透性和定位性，能透过表层组织聚焦于特定深度的靶点而产生生物学效应，达到治疗疾病的目的。自1942年超声的生物学效应被首次报道[1]以来，目前FUS治疗已应用于多个临床学科。2016年和2018年，美国FDA相继批准了聚焦超声单侧丘脑部分损毁术用于治疗难治性特发性震颤和以震颤为主的帕金森病，并对其它疾病的FUS治疗进行了推荐。目前FUS治疗抑郁症、神经性疼痛、强迫症等疾病已进入临床应用阶段，并在世界各地广泛开展。目前，FUS在神经系统调控中的应用正受到越来越多的关注，尤其是低强度聚焦超声(LIFUS)作为一种调节大脑活动的非手术方法正在获得广泛的应用。现就FUS在神经系统调控中的应用进展进行综述。

1 FUS可发挥的生物学效应

FUS发挥的生物学效应主要涉及热消融、药物靶向输送、免疫反应等。

1.1 热消融 FUS能加热组织使蛋白质变性并导致局部细胞死亡(包括肿瘤细胞)。由于细胞类型、温度和暴露持续时间等条件不同，不同的声能量可产生不同程度的细胞损伤，甚至凝固性坏死。目前FUS热消融已被广泛应用于子宫肌瘤[2]、肝癌[3]等实体瘤的治疗，均取得显著疗效。

1.2 靶向输送药物 研究[4]显示，FUS可使被作用的局部血管舒张，这有利于药物更好地进入组织。另外，利用微泡或脂质体等载体对药物进行包装，并用合适参数的FUS辐照大脑，可打开被作用区域的血脑屏障，而使药物于大脑局部释放[5]，进入组织起效的药物也增多，这大大提高了药物的利用率，而且这种情况下血脑屏障的破坏常是可逆的。

1.3 其他 有研究[6]发现利用FUS对组织进行消融术后，会引发可用于治疗肿瘤的免疫反应。研究[4]发现，由于参数不同(频率、强度、暴露时间等)，FUS引起的血管反应也不同，除了能够有目的地使血管舒张，也能促进血管闭塞[7]。研究[8]显示，FUS有助于血栓的溶解，且FUS强度与血栓溶解程度之间存在一定线性关系，合理利用FUS对血液状态的影响可对特定的疾病做出有效处理。

2 FUS在神经系统调控中的应用

近年来，FUS在神经系统调控中的应用越来越广泛，FUS可影响神经元的兴奋性[9]，FUS的神经调控作用正成为神经调控领域的新兴研究热点。

2.1 FUS在神经调控中的优势 FUS在神经调控方面具有精确性高，安全性好等特点，随着对该领域FUS的研究不断深入，FUS有望成为神经科学的有效调控手段。作为一种新兴的神经调控方法，FUS具有较高的准确性，短时间、低强度的FUS能诱导神经元或是其它易兴奋细胞的兴奋性发生改变，而这种调控方法，即使在大脑深处也能有较高的准确度。由于颅骨骨质的不均一性，超声穿过颅骨时会产生明显的衰减和偏移，超声穿过颅骨后难以聚焦并产生有效的生物学效应。近年来，相控阵系统的出现使FUS神经调控技术得以改进，有效降低了颅骨骨质不均一带来的影响，并可结合MRI对焦点进行校正。Chauvet等[10]对尸体标本进行了研究，在MRI的帮助下将经颅超声的焦点精确到毫米水平。除了具有较高的调控准确性，FUS的安全性也较好。研究[11]表明，FUS能较精确地调控如海马、蓝斑等深层脑区，且在组织学分析中未发现明显与FUS有关的组织损伤。在MRI的引导和温度监测下，FUS可令目标部位的温度升高，致使细胞膜变性、细胞凝固性坏死，而周围组织不受明显影响。随着磁共振引导式聚焦超声(MRgFUS)系统开发的成熟，通过实时解剖热成像和临床反馈可实现FUS热消融治疗中的温度监测，可避免局部温度过高所致的组织损坏，这大大提高了FUS临床治疗的安全性。另外，功能磁共振血氧水平依赖(BOLD)信号水平有可能成为FUS经颅神经调控的另一个安全性检测手段，可进一步增加FUS神经调控的安全性。目前已设计制造出的微型或轻型头戴式超声刺激器，可以让实验鼠在一定空间内自由活动时完成FUS的神经调控，并能激发实验鼠的转头行为[12]，从技术上增加FUS神经调控研究的舒适性和有效性。

2.2 FUS对外周神经的调控 FUS对神经组织的兴奋作用早在上世纪七八十年代就已被证实。1989年Enin等[13]研究发现，不同参数的FUS可引起人类手指皮肤的不同感觉。另有研究[14]指出，FUS可调节坐骨神经上的电压依赖性通道改变神经的电兴奋性。Foley等[15]用高强度聚焦超声(HIFU)作用于兔子的坐骨神经复合体，产生神经阻滞效应以治疗痉挛和疼痛；同时组织学检查发现，HIFU处理后局部组织有施旺细胞的坏死和神经轴索脱髓鞘现象。在一项利用MRgFUS系统对坐骨神经进行消融以治疗痉挛的研究[16]中，所有的实验动物均发现HIFU处理局部的邻近肌肉出现苍白伴有神经发红和轻微的增厚，神经组织中的施旺细胞出现核固缩、血管充血、神经周围水肿、神经的胶原基质发生玻璃样变，出现髓鞘肿胀和轴突缺失等现象，提示HIFU可以达到阻滞神经功能的目的，但对神经以及临近组织有一定损伤。关于FUS不同暴露量对肌肉动作电位影响的研究[17]显示，对坐骨神经进行HIFU低暴露量处理可抑制其神经支配区域肌肉的复合动作电位产生，并可于处理后28天恢复至基线水平，相反，暴露于高剂量HIFU的神经组织，28天后其支配区域的肌肉复合动作电位却不能恢复，提示FUS在相对较低的剂量暴露时可对神经产生一定调控作用，避免对神经造成不可逆性损伤。Juan等[18]利用FUS对迷走神经进行功能调节，亦发现迷走神经被抑制，且声强度与神经抑制程度之间存在一定相关性。随着超声换能器的不断改进，目前已经能对特定神经进行精确干预。从安全的角度来说，HIFU由于热消融作用较明显，故易引起周边组织损伤，而LIFUS可以很大程度避免周围组织损伤。Kim等[19]对颅底上方的外展神经进行脉冲模式下低强度FUS干预时，眼球出现外展运动，同时未发现有血脑屏障的中断迹象，也未发现神经和邻近的脑组织的损害，该实验进一步证明了FUS可以在保证安全性的情况下对外周神经进行调控。

2.3 FUS对中枢神经的调控 研究[20～22]表明，FUS能影响神经元上表达的电压门控离子通道，FUS也可影响中枢神经系统中多种神经递质的浓度水平，如γ氨基丁酸和多巴胺等,进而影响相应神经元的功能状态，诱导中枢神经系统不同神经元的兴奋性发生改变。血脑屏障是存在于大脑的天然保护屏障，它不仅能阻隔病原物质的入侵，同时也阻隔了大分子药物的进入。在血脑屏障或血肿瘤屏障的保护下，阿霉素很难进入中枢神经系统，而利用载有阿霉素的脂质体结合FUS的血脑屏障打开技术，能定向对胶质细胞施行靶向治疗[23]。也有研究[24]利用FUS打开血脑屏障后，通过无创靶向递送胶质细胞源性神经营养因子基因对帕金森病鼠模型进行治疗，获得了良好结果。这让部分体外获得的研究成果有望应用于体内，使更多患者获益。一项关于FUS强度对中枢神经系统调控作用影响的研究[25]表明，当FUS强度在1～100 mw/cm2时可引发实验动物的大脑电活动，而在1～100 w/cm2时则会抑制其大脑电活动，当达到1 000 w/cm2时则会损坏脑的结构。除了可引起中枢神经的电活动，近期研究[26]发现，FUS对运动皮层的超声刺激足以引发运动，同时，FUS超声波能触发对河豚毒素敏感神经元的活动，而不伴有大脑局部温度的升高(<0.01 ℃)，并指出经颅脉冲超声的横向空间分辨率可达2 mm。Yang等[27]用MRIgFUS刺激并监测猴的初级感觉皮层，对FUS刺激下的BOLD信号进行比较，发现超声刺激后BOLD信号水平发生了改变，提示相关脑区被激活。目前临床上也有了一些FUS对中枢神经调控的试点研究。Hameroff等[28]的研究通过FUS刺激右额叶皮层对受试者的疼痛感产生了影响。近来，研究人员利用FUS辐照人的初级运动皮层，发现FUS可减小运动诱发电位的波幅[29]。

3 FUS应用于神经调控存在的问题

虽然FUS热消融有很好的应用前景，但是它的风险也是显而易见的，一旦定位不够精准，则必然影响其它神经的功能，如若出现神经元的不可逆损伤，相应的神经功能将较长时间或永久丧失。由于颅骨的特点，超声在穿过颅骨时会产生明显的衰减，进而限制了其聚焦于靶组织的能力[30]，因此为了保证治疗效果，与颅骨有关的指标常常需要被密切关注。在一项FUS治疗特发性震颤(ET)的关键性试验[31]中，研究者须对患者头部进行CT平扫从而计算颅骨的密度指数(密质骨与松质骨密度的比值)，发现只有颅骨密度指数>0.45的患者才可接受治疗，这也阻碍了FUS在临床中的推广。此外，FUS神经调控的不良反应是值得考虑的问题。虽然FUS联合微泡或脂质体可实现血脑屏障的可逆性开放，然而目前FUS打开血脑屏障是否会带来新的问题尚无定论。另有研究[32]指出，虽然利用FUS热消融实行丘脑切开术可以缓解患者的震颤，但会出现感觉异常和步态障碍等不良事件，且FUS操作所需时间较长，通常需仔细定位以确保FUS刺激靶点的准确性，并需要在肢体末端放置合适的填充物。由于患者需长时间制动，需考虑患者的耐受程度并预防深静脉血栓的形成。

综上所述，FUS作为一项新的神经调控技术，已被证实能无创调控神经元功能，在神经调控方面有较大开发潜力，但FUS神经调控广泛应用于临床仍需较长时间。FUS相关技术的成熟将有助于阐明神经系统的信息编码、整合及处理机制，更好地认识大脑。目前我们对这个方面知之甚少，对神经调控的参数、特殊病种的调控靶点及精确定位等研究仍是一项庞大的工程。