tFUS如何可量化地评估其调控效果？

 

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M1兴奋性及运动行为概述

初级运动皮层（M1）是大脑执行随意运动的核心脑区，负责计划、启动和控制精细运动。M1的兴奋性可以通过神经调控技术（如经颅磁刺激 TMS）进行非侵入性评估，常用指标为运动诱发电位（MEP）。MEP的幅值反映了皮质脊髓束的兴奋性水平。此外，M1内部的微环路包含短间隔皮层内抑制（SICI） 和皮层内易化（ICF），分别由GABA能神经元和谷氨酸能/ NMDA受体介导，共同调控运动输出的精确性和时序性。运动行为表现（如反应时、任务正确率）则直接反映了M1功能输出的效率。

 

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tFUS对初级运动皮层（M1）调控效果概述

经颅聚焦超声（tFUS）是一种利用机械能穿透颅骨、聚焦于特定脑区的新型非侵入性神经调控技术。与电或磁刺激不同，tFUS主要产生机械力效应，可影响离子通道、突触传递及胶质细胞活性。本研究首次在人类M1上评估tFUS的调控作用，发现：

tFUS整体表现为抑制作用：显著降低单脉冲MEP幅值，并抑制皮层内易化（ICF），但对短间隔皮层内抑制（SICI）无显著影响。

行为层面：tFUS显著缩短了简单刺激-反应任务的反应时，且不改变错误率，提示抑制性调控反而提升了运动行为表现。

这一“抑制带来行为优势”的现象，与以往在体感皮层的研究结果一致，可能源于tFUS增强了运动表征的“信噪比”，减少了非必要肌肉的干扰输入。

 

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经颅磁刺激（TMS）如何评估tFUS

 

TMS是评估皮质兴奋性的金标准方法。本研究创新性地将TMS与tFUS同时、同轴联合应用，利用TMS诱发的MEP作为量化指标，评估tFUS前后M1兴奋性的变化。具体评估方式包括：

单脉冲MEP募集曲线：在不同TMS强度（75%~100% RMT）下记录MEP幅值，观察tFUS是否改变输入-输出关系。结果如图4A所示，tFUS条件下MEP幅值在90%~100%强度下显著低于假刺激组，说明tFUS具有强度依赖性抑制作用。

配对脉冲TMS：通过改变两个脉冲之间的时间间隔（1~15 ms），分别评估SICI（1~5 ms）和ICF（10~15 ms）。如图5A、5B所示，tFUS显著抑制了ICF，但对SICI无影响，表明tFUS主要作用于易化性微环路，而非GABAergic抑制环路。

行为任务结合：在简单反应时任务中，tFUS施加于M1中控制拇指的脑区（APB热点），同时记录按键反应时和肌电活动。如图6A所示，tFUS组反应时显著短于两种假刺激组，而图6B显示错误率无差异，排除注意力干扰。

 

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经颅磁刺激（TMS）评估tFUS系统设计：工程问题及解决方案

 

为了实现TMS与tFUS的同时、同轴刺激，研究团队面临多项工程挑战，包括电磁兼容性（EMC）、声场与磁场的相互干扰、以及换能器高度对刺激强度的影响。具体设计与解决方案如下：

硬件集成

将定制的低剖面（1.25 cm高）单元素0.5 MHz聚焦超声换能器固定在标准8字形TMS线圈的中心交叉点（图1A）。采用3D打印定制支架，确保同心同轴。

 

 

图1：经颅超声与磁刺激联合装置及超声参数

 

图1展示了本研究的核心硬件与超声波形设计。图1A为实物照片，可见TMS线圈（米色）、聚焦超声换能器（白色）以及用于固定两者的3D打印支架（紫色），支架上还装有红外追踪球，用于立体定位导航。图1B示意了超声脉冲策略：换能器中心频率为0.5 MHz，每个脉冲包含180个声周期，脉冲重复频率（PRF）为1 kHz，总刺激持续时间为500 ms。图1C 呈现了自由水中的超声压力场分布，左侧伪彩图显示焦点形态，右侧线图给出沿轴向和横向的压力归一化曲线，黑色箭头表示声传播方向。图1 直观地说明了tFUS与TMS的空间同心布置和核心声学参数。

 

EMC与能量场交互验证

声场干扰测试：在水槽中测量有无TMS脉冲时的超声压力场。如图2A所示，TMS脉冲未对超声波形产生可察觉的畸变或衰减，说明TMS的强磁场不会干扰超声换能器的正常工作。

磁场干扰测试：使用自制磁探头测量TMS线圈产生的磁矢量势。如图2B所示，有无超声换能器附着时，磁矢量势分布无显著差异（p=0.91），证明换能器不改变TMS的磁场特性。
 

 

 

图2：超声与TMS能量场的交互验证

 

图2旨在验证同时施加tFUS和TMS时两种能量是否相互干扰。图2A从上至下依次为：单独的超声压力波形（灰色区域表示超声开启时间）、单独的TMS脉冲伪迹（黑色脉冲）、以及两者同时施加时的叠加波形。对比可见，TMS伪迹并未改变超声压力波的形态和幅值，表明TMS磁场对超声换能器无显著影响。图2B 为磁矢量势的箱线图，比较了TMS线圈单独使用（TMS）和与超声换能器结合使用（TMS+US）时，在换能器平面内测量的平均磁矢量势（相对最大值）。两组数据几乎重叠，统计检验无显著差异（p=0.91），说明超声换能器的存在不改变TMS线圈产生的磁场分布。图2 证明了联合刺激在工程上是兼容的。

 

洛伦兹力评估：理论分析表明，由于超声传播方向与TMS磁场方向平行，洛伦兹力为零；即使垂直时，产生的电流密度（0.067 A/m²）也远低于神经元激活阈值（2.5 A/m²），因此不存在电磁安全隐患。

 

换能器高度补偿

换能器使TMS线圈抬高1.25 cm，导致头皮表面电场强度下降约30%（图3A）。为保持有效的MEP幅值，需将TMS输出强度提高20%~30%。研究者通过建模和预实验确定联合刺激下的静息运动阈值（RMT），确保所有参与者均能在100%输出内诱发MEP。

声传播建模

结合CT和MRI数据，使用k-Wave MATLAB工具箱模拟超声经颅传播。如图3B所示，超声能量仍能良好聚焦于中央前回的手部代表区，颅内峰值压力约120 kPa，说明颅骨衰减未导致焦点失效。

 

 

图3：大脑中TMS感应电场与超声传播的数值模型

 

图3通过计算机模拟展示了tFUS与TMS在大脑内部的实际物理场分布。图3A 对比了TMS线圈直接贴头皮（左）与抬高1.25 cm（右，即安装超声换能器后的实际工况）时，在大脑皮层诱导的电场强度。可见抬高后电场峰值降低约30%，且空间分布略有弥散，但仍集中于线圈交叉点下方的皮层区域，说明通过提高TMS输出强度可以补偿这一损失。图3B 为基于真实CT和MRI数据构建的超声经颅传播模型，将换能器置于初级运动皮层手部代表区上方，结果显示超声能量能够有效透过颅骨，并在中央前回形成清晰的焦点，颅内峰值压力约120 kPa。图3 从理论上证实了tFUS在人类M1的聚焦可行性。

 

热与机械安全性

热效应：模型预测脑组织温升<0.2°C，远低于安全限值。

机械力：超声辐射力约1.3e-7 N，TMS磁力约2.6e-10 N，主要力效应来自tFUS，但远不足以造成组织损伤。

随访调查：40%参与者反馈最多为轻度头痛、颈部酸痛等，无严重或持续性不良事件。

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临床研究

 

研究一：单脉冲MEP募集曲线（12人）

 

方法：在tFUS或假刺激下，以5%步长递增TMS强度（75%~100% RMT），每强度10次刺激。tFUS在TMS前100 ms开始，持续500 ms。

结果：tFUS显著降低MEP幅值（主效应p=0.0126），尤其在高强度（90%~100%）时差异显著（图4A、4B）。表明tFUS对M1具有普遍的抑制作用，且不依赖TMS强度。

 

 

图4：tFUS对单脉冲MEP募集曲线的影响

 

图4展示了12名受试者在tFUS与假刺激条件下，不同TMS强度所诱发的MEP幅值变化。图4A 为募集曲线，横坐标为TMS输出强度（占刺激器最大输出的百分比），纵坐标为MEP幅值（微伏）。灰色线代表tFUS条件，黑色线代表假刺激。可见两条曲线均随强度增加而上升，但tFUS曲线整体低于假刺激曲线，尤其在90%、95%和100%强度时差异具有统计学意义（星号标记）。图4B 将75%–100%强度范围内的MEP幅值进行平均，以柱状图对比tFUS与假刺激的主效应，结果显示tFUS显著抑制了MEP幅值（p=0.0126）。图4表明tFUS对M1具有稳定的抑制作用，且在高TMS招募水平下更为明显。

 

研究二：配对脉冲TMS（10人）

 

方法：固定条件刺激（80% RMT）和测试刺激（120% RMT），改变间隔1~15 ms。tFUS在条件刺激前100 ms施加。

结果：tFUS对SICI无显著影响（p=0.1574），但显著抑制ICF（p=0.007），对所有10~15 ms间隔均有统计学差异（图5A、5B）。提示tFUS主要影响易化性微环路，而非GABAergic抑制环路。

 

 

图5：tFUS对配对脉冲TMS（SICI和ICF）的影响

 

图5分析了tFUS对不同皮层内微环路的选择性作用。图5A 为10名受试者在不同刺激间隔（ISI，1–15 ms）下的MEP相对幅值（相对于单脉冲基线，虚线表示基线水平）。灰色线为tFUS，黑色线为假刺激。在1–5 ms区间（对应SICI），两条曲线均明显低于基线，且彼此接近，无显著差异；在10–15 ms区间（对应ICF），假刺激曲线明显高于基线（易化效应），而tFUS曲线则显著降低，接近甚至低于基线。图5B将SICI（ISI 1–5 ms）和ICF（ISI 10–15 ms）的数据分别平均后以柱状图呈现，显示tFUS对ICF的抑制效应显著（p=0.007），而对SICI无显著影响。图5 揭示了tFUS主要作用于易化性微环路，而非GABA能抑制性环路。

 

研究三：反应时任务（28人）

 

方法：受试者看到“X”按空格键，看到“O”不按。tFUS施加于APB热点，在视觉刺激前100 ms开始。三种条件：M1 tFUS、M1假刺激、顶点主动假刺激。

结果：tFUS组平均反应时（375.7 ms）显著短于假刺激组（389~390 ms，p=0.0248），如图6A所示；错误率无差异（图6B）。说明tFUS通过抑制M1兴奋性，反而提升了运动反应速度。

 

 

图6：tFUS对运动行为（反应时）的影响

 

图6评估了tFUS作用于M1对简单反应时任务的行为学效果。图6A为28名受试者在三种条件下的平均反应时（毫秒）：主动假刺激（超声作用于头顶顶点CZ）、M1假刺激（换能器置于M1但不施加超声）、M1 tFUS（真实超声）。结果显示M1 tFUS组的反应时（约375.7 ms）显著短于两个假刺激组（约389–390 ms），p=0.0248。图6B 展示了catch trial（干扰刺激“O”）中的正确抑制率（百分比），三种条件均在90%–92%之间，无统计学差异，说明tFUS并未改变受试者的注意力或冲动控制水平。图6 表明，tFUS对M1的抑制性调控反而带来了行为上的加速优势，且这种优势并非由非特异性注意增强所致。

 

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总结

 

本研究首次在人类初级运动皮层（M1）上系统评估了经颅聚焦超声（tFUS）的神经调控效应及其对运动行为的影响，得出以下核心结论：

tFUS对M1具有明确的抑制性调控作用：表现为单脉冲MEP幅值下降、皮层内易化（ICF）减弱，但不影响短间隔皮层内抑制（SICI），提示其主要作用于易化性微环路。

抑制性调控可带来行为优势：tFUS显著缩短了简单反应时，且不增加错误率，可能与增强运动表征的信噪比、减少非必要肌肉共激活有关。

TMS与tFUS联合刺激在工程上是可行且安全的：通过低剖面换能器设计、电磁兼容性验证、声传播建模及热/力安全评估，解决了EMC干扰、磁场互作用、刺激强度补偿等关键工程问题。

为未来临床应用奠定基础：tFUS可作为一种高空间分辨率的非侵入性工具，用于运动障碍疾病（如肌张力障碍、卒中后痉挛）的精准调控。

本研究不仅拓展了tFUS在人类运动皮层的研究边界，也为非侵入性脑调控技术的工程化与临床转化提供了范例。