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Sci Rep:中科院深圳先进院高频超声小鼠大脑无创神经调控研究获进展

摘要 : 近日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《Scientific Reports》杂志在线发表了中国科学院深圳先进技术研究院医工所超声神经调控课题组郑海荣研究组的一项研究发现,研究人员采用高频超声可对小鼠大脑实现亚毫米级别的精准无创神经调控。

 近日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《Scientific Reports》杂志在线发表了中国科学院深圳先进技术研究院医工所超声神经调控课题组郑海荣研究组的一项研究发现,研究人员采用高频超声可对小鼠大脑实现亚毫米级别的精准无创神经调控。该研究基于自主研发的超声小动物神经调控仪器,通过深入评估影响高频超声神经调控效果的因素,结合超声能量补偿、刺激遍历以及优化的麻醉管理方法,证明了5兆赫聚焦超声波可实现亚毫米级别空间分辨率的神经调控功能,并且具有与低频超声不尽相同的刺激响应潜伏期。

该高频超声神经调控技术具有较高的时空分辨率和无创刺激的优点,作为新型神经调控及脑科学研究的工具受到广泛关注。超声神经调控采用超声波作为刺激能量的传播载体,超声波属于机械波,其波动能量能有效穿透不同深度的生物组织(包括颅骨),超声波的传播路径以及聚焦效果容易被精确调控,因此超声神经刺激相对于其他传统的电、磁、光神经刺激技术,具有穿透深度大、靶点控制便捷和无创的优点。

通常,不同振动频率的超声波具有不同的力学效应和生物效应。超声波的振动频率越低,就越容易穿透生物组织,越容易产生神经刺激效果,但其空间分辨率越差。例如,常规神经调控用的超声频率往往小于1兆赫,其刺激靶点为数毫米级别,不太适用于对被生物医学领域广泛使用的啮齿类动物开展神经调控研究。此项研究结果表明,高频超声不仅可为基于小动物的脑神经环路研究提供无创的调控工具,而且为研发具有实时超声成像引导功能的多靶点超声神经调控系统提供了基础。

图左:自主研发的超声神经刺激仪;图右:5兆赫高频超声诱发小鼠尾巴动作以及尾巴肌电信号

原文链接:

Improved Anatomical Specificity of Non-invasive Neuro-stimulation by High Frequency (5 MHz) Ultrasound

原文摘要:

Low frequency ultrasound (<1 MHz) has been demonstrated to be a promising approach for non-invasive neuro-stimulation. However, the focal width is limited to be half centimeter scale. Minimizing the stimulation region with higher frequency ultrasound will provide a great opportunity to expand its application. This study first time examines the feasibility of using high frequency (5 MHz) ultrasound to achieve neuro-stimulation in brain, and verifies the anatomical specificity of neuro-stimulation in vivo. 1 MHz and 5 MHz ultrasound stimulation were evaluated in the same group of mice. Electromyography (EMG) collected from tail muscles together with the motion response videos were analyzed for evaluating the stimulation effects. Our results indicate that 5 MHz ultrasound can successfully achieve neuro-stimulation. The equivalent diameter (ED) of the stimulation region with 5 MHz ultrasound (0.29 ± 0.08 mm) is significantly smaller than that with 1 MHz (0.83 ± 0.11 mm). The response latency of 5 MHz ultrasound (45 ± 31 ms) is also shorter than that of 1 MHz ultrasound (208 ± 111 ms). Consequently, high frequency (5 MHz) ultrasound can successfully activate the brain circuits in mice. It provides a smaller stimulation region, which offers improved anatomical specificity for neuro-stimulation in a non-invasive manner.

来源: Scientific Reports 浏览次数:0

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