超聲波的頻率低于人耳感知范圍，但其作為診斷手段，可以用來探測腫瘤或者胎兒。6月24日《科學(xué)》網(wǎng)站刊登新聞稱，超聲波還能穿透頭骨促進(jìn)或抑制大腦活動。神經(jīng)科學(xué)家對超聲波有著更大的期望：成為一種強大的、非侵入性的研究工具和治療大腦疾病的新手段。不過，這仍有待證明，一則超聲療法得具備安全性，第二其能夠可預(yù)見地改變?nèi)祟惔竽X功能。

《科學(xué)》網(wǎng)站稱，超聲波如何作用于大腦仍然是個謎。但最近的實驗為安全性提供了保證，小型研究也顯示其對人類大腦確實具有影響。比如超聲波可以減輕疼痛，或者微妙地增強人類的感知能力?！拔乙娺^很多非常棒的數(shù)據(jù)，”加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)的神經(jīng)科學(xué)家馬克·科恩(Mark Cohen)說，“盡管挑戰(zhàn)很大，但這項技術(shù)的潛力要大得多，所以我們必須繼續(xù)努力。”

此前通過在顱骨上傳遞電流或磁脈沖，科學(xué)家已經(jīng)可以通過非侵入性的手段來調(diào)節(jié)大腦。美國FDA已經(jīng)批準(zhǔn)經(jīng)顱磁刺激(TMS)用于治療抑郁癥、偏頭痛和強迫癥。

與磁場、電場不同的是，聲波可以像放大鏡聚焦光一樣，聚焦在大腦深處的某一點上，而不會影響大腦的淺表組織。此前，人類要達(dá)到這種深度和聚焦的結(jié)合效果，只有通過手術(shù)植入金屬絲才能實現(xiàn)。但是超聲波可以暫時改變?nèi)四X的深層區(qū)域，例如能對情緒反應(yīng)產(chǎn)生驅(qū)動的杏仁體，或者疼痛的中繼站和警覺的調(diào)節(jié)功能區(qū)腦丘，來測試超聲波的功能或治療疾病。

神經(jīng)科學(xué)家在動物實驗中已取得了一定的進(jìn)展。1950年代的實驗首次表明，超聲波可以抑制貓大腦視覺區(qū)域的神經(jīng)活動。在嚙齒類動物中，將超聲波對準(zhǔn)運動區(qū)域會引發(fā)爪子或胡須的抽搐等。將注意力集中在猴子大腦的額葉區(qū)域，可以改變動物完成眼部運動任務(wù)的方式。

一些研究表明，超聲波改變了神經(jīng)元上的離子通道，改變了細(xì)胞向周圍細(xì)胞發(fā)出信號的可能性。夏皮羅說，如果超聲波主要通過離子通道工作這是個好消息，“因為這意味著我們可以觀察這些通道在哪里表達(dá)，并預(yù)測哪些細(xì)胞類型會被激發(fā)?！?/p>

在上個月bioRxiv上的預(yù)印本中，夏皮羅的團隊報告說，將培養(yǎng)皿中的老鼠神經(jīng)元暴露于超聲波之下，會打開一組特殊的鈣離子通道，從而使某些細(xì)胞更容易興奮。

但是，哈佛大學(xué)的神經(jīng)學(xué)家Seung-Schik Yoo對《科學(xué)》網(wǎng)站表示，單靠這些通道無法解釋超聲波的作用。他指出，超聲波似乎也會影響被稱為膠質(zhì)細(xì)胞的非神經(jīng)元性腦細(xì)胞的受體。他說:“很難發(fā)展出關(guān)于超聲波確切機制的統(tǒng)一理論?！?/p>

不管機制如何，超聲波已經(jīng)開始在人類身上顯示出清晰的，即使是細(xì)微的影響。2014年，弗吉尼亞理工學(xué)院和弗吉尼亞州立大學(xué)的團隊表明，聚焦超聲可以增強人腦感覺處理區(qū)域的電活動，提高參與者辨別手指觸碰點數(shù)的能力。

牛津大學(xué)的神經(jīng)學(xué)家克里斯托弗·巴特勒及其同事在一項更為復(fù)雜的感官任務(wù)中測試了超聲波：判斷屏幕上飄忽不定、抖動的小點的運動。上個月，在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)學(xué)會的在線年會上，他報告說，刺激被稱為MT的動作處理視覺區(qū)域，可以提高受試者判斷多數(shù)圓點漂移方向的能力。

有幾個團隊正在謹(jǐn)慎地將超聲波作為治療手段進(jìn)行測試。2016年，加州大學(xué)洛杉磯分校神經(jīng)科學(xué)家馬丁·蒙蒂和同事報告稱，一名處于最低意識狀態(tài)的男子在超聲刺激丘腦后恢復(fù)了意識。蒙蒂正在準(zhǔn)備發(fā)表一項針對三個長期意識受損的人的后續(xù)研究。通過超聲波檢測，他們的反應(yīng)能力在幾天內(nèi)增強了——比預(yù)期的快得多，蒙蒂說，盡管這項研究沒有包括對照組。

這項研究和對癲癇患者的測試使用了由BrainSonix公司開發(fā)的超聲波設(shè)備。它的創(chuàng)始人是加州大學(xué)洛杉磯分校的神經(jīng)精神病學(xué)家亞歷山大·拜斯特里茨基。他希望超聲波可以破壞導(dǎo)致強迫癥癥狀的神經(jīng)回路。他說，馬薩諸塞州總醫(yī)院和貝勒醫(yī)學(xué)院的一個團隊正計劃使用BrainSonix設(shè)備在人類身上進(jìn)行研究。

哥倫比亞大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程師Elisa Konofagou希望利用超聲波來治療老年癡呆癥。在COVID-19中斷招募參與者之前，她和同事正在準(zhǔn)備一項試點研究，將微小的充氣氣泡注入6名阿爾茨海默氏癥患者的血液中，并用超聲波脈沖振蕩大腦血管中的微氣泡。這些振動產(chǎn)生的機械力可以暫時拉開這些血管內(nèi)壁的細(xì)胞。研究人員希望打開血腦屏障可以幫助大腦清除有毒蛋白質(zhì)。Konofagou的團隊和其他人也在探索這種超聲波微泡組合，將藥物送入大腦。

不過技術(shù)難題是如何精準(zhǔn)定位：讓超聲波通過厚實的顱骨，確定其能量到達(dá)了預(yù)定的位置。同時，超聲波對大腦的影響也難以預(yù)測。它在多大程度上促進(jìn)或抑制神經(jīng)活動取決于許多參數(shù)，包括超聲波脈沖的時間和強度，甚至目標(biāo)神經(jīng)元本身的特征。美國國家精神衛(wèi)生研究所的精神病學(xué)家Sarah Hollingsworth Lisanby專注于究非侵入性神經(jīng)調(diào)節(jié)。她對《科學(xué)》網(wǎng)站表示雖然結(jié)果令人振奮，但必須承認(rèn)目前還有很多東西需要學(xué)習(xí)。

另外，研究人員對超聲波和腦細(xì)胞是如何相互作用的還一無所知。加州理工學(xué)院的生化工程師米哈伊爾·夏皮羅表示，“這是這個領(lǐng)域最重要的問題。”在高強度下，超聲波可以加熱并殺死腦細(xì)胞。事實上，神經(jīng)外科醫(yī)生就經(jīng)常利用這一特點來燒死大腦中導(dǎo)致震顫的部分。

美國的監(jiān)管機構(gòu)正限制對人類的臨床超聲研究，部分原因是超聲波有可能煮熟大腦，或者通過空化(在組織中產(chǎn)生微小氣泡)造成損害。2015年，有研究團隊在反復(fù)接觸超聲波的綿羊大腦中發(fā)現(xiàn)了微出血，這是血管損傷的跡象。