低强度经颅聚焦超声刺激(TUS)是一种非侵入性的神经调节技术,在从基础神经科学研究到神经疾病和精神疾病的治疗应用中都显示出潜力。 2023年9月1日,来自普利茅斯大学Elsa F. Fouragnan教授团队在nature杂志子刊《Nature Communications》(影响因子16.6/Q1)上发表了题为:Transcranial focused ultrasound-mediated neurochemical and functional connectivity changes in deep cortical regions in humans的文章,利用NeuroFUS经颅超声刺激(NeuroFUS Pro with TPO-203 & CTX-500)分别采用tbTUS模式刺激了人类背侧前扣带皮层(dACC)以及后扣带皮层(PCC)。研究发现人类中的theta-burst TUS会选择性地降低后扣带回的GABA水平,而不会影响背侧前扣带皮层。TUS后,两个区域的功能连接都增加了。该研究发现表明,TUS通过减少GABA能抑制来改变整体的兴奋性,而TUS介导的神经可塑性的变化至少持续了50分钟。TUS对后扣带回和前扣带回的影响差异可能表明TUS效应受状态或位置的影响,这两种机制越来越被认为会影响大脑对神经调节的响应。
论文原文参见 //www.nature.com/articles/s41467-023-40998-0
主要部分利用ChatGPT翻译整理如下,供参考:
经颅聚焦超声介导的人类深层皮层区域神经化学和功能连接的改变
摘要
低强度经颅超声刺激(TUS)是一种新兴的非侵入性技术,用于局部调节人脑功能。关于TUS在人类中的神经调节机制和神经化学基质,以及它们与兴奋和抑制之间的关系,目前仍知之甚少。在24名健康受试者中,我们分别刺激了两个深层皮层区域,并研究了theta-burst TUS对抑制性神经递质γ-氨基丁酸(GABA)和功能连接的影响,theta-burst TUS是一种已被证明能增加皮质脊髓兴奋性的协议。我们发现,人类中的theta-burst TUS会选择性地降低后扣带回(PCC)的GABA水平,而不会影响背侧前扣带皮层(dACC)。TUS后,两个区域的功能连接都增加了。我们的发现表明,TUS通过减少GABA能抑制来改变整体的兴奋性,而TUS介导的神经可塑性的变化至少持续了50分钟。TUS对后扣带回和前扣带回的影响差异可能表明TUS效应受状态或位置的影响,这两种机制越来越被认为会影响大脑对神经调节的响应。
引言
低强度经颅聚焦超声刺激(TUS)是一种非侵入性的神经调节技术,在从基础神经科学研究到神经疾病和精神疾病的治疗应用中都显示出潜力。与其他非侵入性神经调节技术(如经颅磁刺激(TMS)和经颅直流电刺激(tDCS))相比,TUS可以以非常高的空间特异性来瞄准皮层和深部脑区域(与TMS和tDCS相比,尺度为毫米级而不是厘米级)。根据所使用的超声刺激范式,TUS的神经调节效应可以**于刺激期间或刺激后立即出现的时期(“在线”效应),也可以持续数分钟到数小时的刺激后效应(“离线”效应)。离线TUS效应尤其引人关注,因为它们可能反映出类似于长期增强/抑制的神经可塑性,持续时间长于短暂的神经元适应效应,具有潜力用于调节大脑区域或网络中的异常活动,以进行治疗应用。人们认为,TUS主要通过超声波波穿过目标位置的细胞时的机械相互作用来诱导神经调节。然而,这一机制是如何转化为兴奋性或抑制性神经调节以及其对大规模人类脑连接的影响仍然不清楚。
离线TUS与磁共振成像(MRI)的高空间分辨率的结合,允许在本地水平(个体目标区域)和在整个大脑的网络水平上,包括深部脑区域,测量TUS效应。先前的研究在猕猴和人类中均使用功能性磁共振成像(fMRI)和动脉自旋标记来显示由于TUS引起的大脑活动和灌注的大规模变化。在猕猴中,TUS对深部皮层和亚皮层区域的影响已经显示出任务相关fMRI和行为以及静息态fMRI(rsfMRI)连接的改变。在人类中,TUS已被证明影响rsfMRI连接和区域灌注的改变。
通过磁共振波谱学(MRS),可以定量测量体内的γ-氨基丁酸(GABA)水平,这是主要的抑制性神经递质,以及谷氨酸,主要的兴奋性神经递质,从而提供了关于TUS引起的神经可塑性的GABA能和谷氨酸能机制的见解。MRS测量的GABA无法区分细胞内还是细胞外的GABA,但被认为代表了该区域的持续性抑制和整体抑制“音调”,而不是短暂或突触抑制。在大鼠中,TUS已被证明能够在干预后最多120分钟内降低细胞外的GABA,而不改变谷氨酸水平。迄今为止,MRS尚未被用于探索TUS神经调节在人类中的神经化学基础。
在这里,我们调查了TUS是否能够诱导两个深部皮层区域在休息状态下具有明确定义和可分离连接特征的离线变化:背侧前扣带皮层(dACC),它是显著性网络的一部分,以及后扣带皮层(PCC),是默认模式网络的主要枢纽,在清醒休息时最活跃。这些网络中的异常功能连接已被认为与多种神经疾病和精神疾病有关,因此这些区域可能成为治疗性TUS应用的潜在目标。
利用MRS和rsfMRI,使用已被证明能够诱导离线增加皮质脊髓兴奋性的theta-burst TUS协议,我们在不同的会话中分别刺激了每个区域,并将其效应与假刺激进行比较。我们发现仅在TUS后约20-30分钟,后扣带皮层(PCC)的GABA水平明显降低。此外,我们还发现,在TUS后,两个区域的功能连接都增加了,rsfMRI连接的增加**发生在较晚的时间点(TUS后约46分钟)而不是较早的时间点(TUS后约13分钟)。此外,刺激后扣带皮层(PCC)还增加了dACC的功能连接,但反之则不然。重要的是,通过声学测量和模拟,我们还展示了我们能够在研究中的所有个体中有效且安全地瞄准这两个深层皮层区域,这在研究深层脑区域的TUS研究中经常被忽视。我们的结果表明了TUS调节的体内GABA变化,以及随时间演变并至少持续50分钟的功能连接变化。PCC和dACC刺激之间的差异发现表明TUS可能具有状态或位置依赖性,这对于3522集团的新网站人类TUS研究的设计和发展具有重要意义。
结果
在这项预先注册的研究中(//osf.io/bcf4v),我们研究了24名健康成年人中特定区域的TUS诱导的GABA、谷氨酸和功能连接的变化,通过比较左ACC的TUS、左PCC的TUS或假TUS后的MRS和rsfMRI(请参阅图1中的研究设计)。在一部分参与者(n = 4)完成**次会话(仅进行MRI会话)后,以及在每个TUS目标位置的三次TUS和MRI会话之前,进行了声学模拟,以确保我们符合TUS的安全准则(更多细节请参见方法)。剩余参与者的声学模拟是在研究结束时进行的。所有参与者完成了三次TUS和MRI会话,其中TUS被应用于左dACC或左PCC,或者进行假TUS(没有刺激),随后进行MRI扫描。**次rsfMRI运行在TUS后13.1 ± 2.0分钟获取。MRS在TUS目标位置获取,距TUS后22.3 ± 2.0分钟,并在控制区域(该会话期间未受到TUS靶向的区域)在TUS后33.7 ± 2.2分钟获取。第二次rsfMRI扫描在TUS后46.0 ± 2.3分钟获取。
图1:研究设计。
参与者(n = 24)首先参加了一个仅包含MRI的会话,在该会话中,他们接受了结构性MRI扫描,并被分配到六个随机化块中的一个,这些块确定了经颅超声刺激(TUS)条件的顺序(在参与者之间进行平衡)。结构性MRI用于计划和靶向TUS,用于随后的三个研究会话,包括假TUS或应用于左背侧前扣带皮层(dACC)或左后扣带皮层(PCC)的TUS,随后立即进行一系列MRI扫描。扫描包括5分钟的静息态fMRI运行,获取TUS目标区域的MEGA-PRESS MRS,获取控制区域的MEGA-PRESS MRS(即在该会话期间未受到TUS靶向的区域),以及另外5分钟的静息态fMRI运行。会话对于每位参与者大致在同一时间进行,并且至少相隔一周。所示的TUS后时间是所有参与者的平均值。PD脉冲持续时间,PRI脉冲重复间隔。
首先,我们描述了声学模拟的结果,并展示了针对每个目标区域的模拟经颅声压场。接下来,我们报告了左dACC和左PCC中TUS介导的GABA和谷氨酸的变化,然后是左dACC和左PCC的功能连接TUS介导的变化。最后,我们描述了关于光谱学和功能连接变化之间的关联以及与模拟经颅声学测量的个体差异相关的变化的探索性分析。
使用自由场模拟表征超声场
我们在三维空间中模拟了由超声换能器在两个焦点深度处产生的声压分布:60毫米(图2a)和69毫米(图2b),分别代表左dACC和左PCC区域的平均焦点深度。在目标空间峰值脉冲平均强度(ISPPA)为33.8 W/cm2时,TUS焦点处的**压力为1.01 MPa,机械指数(MI)为1.4,经颅传输前的时空峰值平均强度(ISPTA)为3380 mW/cm2。我们的模拟结果显示,沿着声束轨迹的焦点区域长度在60毫米处比69毫米处要短(沿着轨迹的半峰全宽,FWHM分别为32.1毫米和39.4毫米)。横截面的FWHM在60毫米处为4.5毫米,在69毫米处为5.0毫米,表明在更深的焦点深度处TUS焦点略微更宽。
图2:ISPPA = 33.8 W/cm2的自由场声学模拟。
声压的轴向(z轴)和横向(x和y轴)横截面以及压力剖面图分别显示了两个焦点深度:a为60毫米,基于左背侧前扣带皮层(dACC)目标的平均深度,b为69毫米,基于左后扣带皮层(PCC)目标。在压力剖面图中,虚线表示超声波束半峰全宽(FWHM)的下限和上限。在60毫米处,这对应于声束轴向平面上的32.1毫米,横向为4.5毫米。在69毫米处,FWHM分别为39.4毫米和5.0毫米,沿轴向和横向平面。源数据提供在Source Data文件中。
经颅声学模拟
我们根据从T1加权MR图像导出的伪CT图像估计了每位参与者的颅骨(图3a)。经颅模拟显示,强度分布保持椭圆形,与自由场模拟具有相似的大小和形状,轨迹是线性的,并且大致垂直于换能器面,这使我们能够可靠地瞄准所有参与者的dACC和PCC(图3b)。经颅后的焦点强度衰减平均约为58%,与颅骨通过的典型强度衰减值一致(比如颅骨截面的声学水槽测量中的约51.7%强度衰减19)。经颅ISPPA和MI均低于美国食品药物管理局(US FDA)建议的限制值,对于两个区域都如此。我们模拟了两位具有最高衰减的参与者的温升。**温升发生在换能器下方的颅骨中(1.48°C和1.88°C),对于任何一个个体都没有超过2°C。
图3:代表性个体的经颅声学模拟。
从T1加权MRI导出的伪CT(右侧),用于估计颅骨声学特性。b. 模拟的超声压力场叠加在T1加权MRI上,显示对背侧前扣带皮层(dACC)和后扣带皮层(PCC)的可靠靶向。c. 在代表性个体中,显示了每个会话的模拟经颅超声刺激(TUS)焦点压力体积,与2×2×2 cm³的MRS体素相对应(假TUS为蓝色,PCC TUS为红色,dACC TUS为绿色)。MPa表示兆帕斯卡。
表格1总结了两个区域焦点处的声学特性。模拟中使用的参数以及所有研究参与者的声学模拟的完整结果详见附表1和附表2。虽然dACC和PCC在焦点处的**强度和压力相似,但dACC模拟的焦点体积(-6 dB体积,或FWHM处的压力)较小,因此与MRS体素重叠的体积也较小。这可能是由于在较深的焦点深度处看到的超声波束的拉长(图2)。我们的模拟结果显示,椭圆形的TUS焦点在每个会话期间与2×2×2 cm³的MRS体素大部分重叠(图3c),表明手动放置MRS体素在不同会话间具有一致性,我们能够在相同的区域进行刺激和测量。我们还发现焦点体积与ISPPA呈负相关(Pearson's r = -0.63,p = 1.31 × 10^-6),即焦点体积越大,ISPPA越低。
表格1 经颅超声刺激(TUS)焦点处的模拟声学特性
数值以均值±标准差表示。n.s.表示双侧t检验不显著。
dACC:背侧前扣带皮层,PCC:后扣带皮层,MI:机械指数,ISPPA:空间峰值脉冲平均强度,ISPTA:空间峰值时均强度,MRS:磁共振波谱学,COG:质心。
与TUS相关的副作用
每个研究会话的次日,参与者都会收到一份TUS症状问卷,其中包含一个开放性问题:“您在研究期间或之后是否经历了任何不愉快或疼痛的感觉?”。有三名参与者报告在TUS会话后感到比平常更疲劳。这三名参与者中的一名在其dACC TUS会话后的下午报告了轻微的头痛,头痛在一天内解决,而在PCC TUS会话后没有头痛。另一名参与者报告在假TUS会话后出现持续的头痛和颈部疼痛,他们将其归因于在MRI中必须保持静止,而不是TUS程序。他们在TUS会话后没有报告任何症状。还有一名参与者报告在PCC TUS会话期间在距离换能器下方约一英寸处感到凉爽(“就像我的头发湿了一样”)。这发生在TUS会话后的晚上,持续了几个小时,但并未被描述为不愉快。该参与者在其dACC TUS会话后没有报告任何症状。没有其他参与者报告与TUS相关的症状,并且无法区分TUS和假TUS会话之间的不同。
PCC区域的TUS选择性降低了PCC中的GABA
我们发现,应用于PCC区域的TUS相对于假TUS降低了PCC体素中的GABA + /水(相对于水的GABA + 大分子),但没有降低dACC体素中的GABA + /水(图4b)。在PCC体素中,通用线性模型(GLM)以年龄、性别、模拟原位ISPPA和TUS焦点体积与MRS体素重叠作为协变量,显示了会话的主要效应,F(2,55)= 4.66,p = 0.013,η² = 0.141。事后比较对于PCC TUS与假TUS具有统计学显着性,t(55)= -2.88,p = 0.017,Cohen的d = -0.92,95%置信区间(CI)= [-1.578, -0.254]以及PCC TUS与dACC TUS,t(55)= -2.32,p = 0.048,Cohen的d = -0.73,95% CI = [-1.383,-0.084],而dACC TUS与假TUS之间没有显着差异,t(55)= -0.57,p = 0.570,Cohen的d = -0.18,95% CI = [-0.823,-0.458]。在dACC TUS后测得的dACC体素中,各会话之间的GABA + /水没有显着差异(图4a),在两个体素中,各会话之间的Glx /水(谷氨酸 + 谷氨酰胺复合物,相对于水)也没有显着差异。这些结果表明,在PCC TUS后,PCC中的GABA局部减少,表明只有被超声照射的区域中GABA选择性减少。
图4:经颅超声刺激(TUS)后GABA+/水的变化。
图中显示了n=24个体的dACC(背侧前扣带皮层)体素和PCC(后扣带皮层)体素中GABA+/水的浓度,分别在每个TUS会话和假TUS会话后显示。活动的TUS会话(即TUS应用于并测量相同区域的会话)显示在两个图中央,以帮助对比假TUS和控制TUS会话。灰色线连接了同一名个体在TUS会话中的测量。粗粉色线代表了每个会话的均值和均值标准误差。在每个MRS体素位置进行了ANCOVA和Holm多重比较校正的事后双侧t检验(* p <0.05,n.s.:不显著)。在dACC体素中的ANCOVA没有显示出会话的主要效应。在PCC体素中的ANCOVA显示出会话的主要效应,F(2,55)= 4.66,p = 0.013,η² = 0.141。后续比较在PCC TUS与假TUS方面具有统计学显着性,t(55)= -2.88,p = 0.017,Cohen的d = -0.92,95%置信区间(CI)= [-1.578,-0.254],以及PCC TUS与dACC TUS,t(55)= -2.32,p = 0.048,Cohen的d = -0.73,95% CI = [-1.383,-0.084],但dACC TUS和假TUS之间没有显着差异,t(55)= -0.57,p = 0.570,Cohen的d = -0.18,95% CI = [-0.823,-0.458]。源数据提供为源数据文件。
TUS增加了与目标区域的功能连接
我们首先使用扩展的TUS焦点体积蒙版作为种子,采用种子为基础的连接方法,研究了与TUS目标的功能连接变化。在假TUS会话的每个运行中,显示了与dACC和PCC种子的连接显示出组平均图,见附图1。这些图示了dACC和PCC与经典显著性网络和默认模式网络之间的关系。我们发现,在假TUS会话期间,对于任一种子,**个和第二个rsfMRI运行之间没有显着差异。因此,将TUS会话的每个运行与假TUS会话的两个运行的平均值之间的整个脑连接图进行比较。
我们发现,与假TUS相比,dACC的功能连接在dACC和PCC的TUS后均有所增加(所有比较均在p <0.05的情况下进行了簇校正)。在dACC TUS后的大约13分钟后,dACC的功能连接在前枕叶皮层中增加,而与假TUS相比。大约46分钟后,与假TUS相比,dACC的功能连接在更广泛的区域中增加,包括前枕叶、颅内皮层、双侧丘脑、右侧壳核、左侧海马回和包括双侧中央前回和中央后回的辅助运动皮层(图5a)。
与伪刺激相比,在经颅超声刺激(TUS)后13分钟,dACC的功能连接性增加也观察到在双侧前中央回和右侧顶枕叶(Supplementary Fig. 2)。这可能表明,PCC的神经调节可能会影响超过目标区域的脑连接性。与伪刺激相比,在经颅超声刺激(TUS)后46分钟,与dACC种子的连接性没有显著差异。
经颅超声刺激(TUS)仅在与假刺激组相比,对超声刺激(TUS)的后扣带皮层(PCC)的功能连接性产生了增加的效果。换句话说,PCC的网络特征没有受到应用于另一个区域(即前扣带皮层)的经颅超声刺激(TUS)的影响。与假刺激组相比,超声刺激(TUS)后13分钟时,与双侧壳核的功能连接性增加,与前中央回、双侧听觉皮层和左侧颞极的功能连接性在超声刺激(TUS)后46分钟时增加(图5b)。
图5:经经颅超声刺激(TUS)后的功能连接性变化:基于种子的连接性分析。
整脑图展示了在对前扣带区(dACC)施加超声刺激(TUS)后,与dACC种子区域呈现增加的功能连接性的区域(与假手术对照)。同样地,对后扣带皮层(PCC)施加TUS后,与PCC种子区域呈现增加的功能连接性的区域也在整脑图中展示出来(与假手术对照)。对于每个种子区域,进行了整脑质量单变量广义线性模型(GLM)分析,并展示了两个单侧对比(即fMRI Run 1/2与假手术运行的平均值之间的对比)的Z统计图像(使用Z > 2.3和FWER校正的簇显著性阈值p = 0.05进行阈值化),显示出具有统计显著性的簇。橙色的簇表示与TUS后约13分钟的时间点(即fMRI Run 1)具有显著更高的功能连接性的区域,黄色的簇表示与TUS后约46分钟的时间点(即fMRI Run 2)具有显著更高的功能连接性的区域,与假手术运行的平均值相比。对于每个种子区域,蜘蛛图显示了来自显示出显著增加连接性的区域以及三个对照区域的功能连接性(来自GLM的参数估计),这三个对照区域分别是:(i)未被TUS靶向的区域(即对于dACC种子区域,这将是PCC,反之亦然);(ii)已知与种子区域高度连接的区域(对于dACC种子区域来说是前insula,对于PCC种子区域来说是前扣带皮层);(iii)背外侧前额叶皮层。误差线显示了均值的标准误差。整脑图叠加在所有参与者的平均T1加权MRI上。源数据以源数据文件的形式提供。
经颅超声刺激(TUS)增加了与目标区域相关的静息态网络的功能连接性。
为了研究超声刺激(TUS)对静息状态下的全脑网络的影响,我们使用独立成分分析(ICA)确定了与我们的TUS目标相关的两个明确定义的静息态功能连接网络:显著性网络,其中dACC是主要成分,以及默认模式网络,其中PCC是主要中枢。通过双重回归获得了每个网络的个体特定映射,并将每个TUS会话的每个运行与假运行的平均值进行了比较。
我们发现,在TUS刺激了dACC后,显著性网络的连接性增加(图6a),并且在TUS刺激了PCC后,默认模式网络的连接性增加,与假刺激相比(图6b)。值得注意的是,这些变化仅在rsfMRI的后期运行(即TUS后约46分钟)中出现,与基于种子的连接性分析观察到的更大的功能连接性变化一致。当TUS应用于其他区域时,显著性网络或默认模式网络的连接性没有显著变化。
图6:经颅超声刺激(TUS)后的功能连接性变化:独立成分分析。
每个子面板的顶部行显示在假设会话期间通过独立成分分析在fMRI运行中识别出的显著性网络(a)和默认模式网络(b)的群组平均图。每个子面板的中间行显示通过双重回归获得的TUS后约46分钟的fMRI运行(即fMRI运行2)的群组平均网络。底部行显示TUS会话的运行2与假设会话的平均之间网络连接性显著差异的空间图。dACC指背侧前扣带回,PCC指后扣带回。
GABA与功能连接性变化之间没有关联
我们发现GABA变化与功能连接性变化之间没有显著相关性,也没有与声学模拟获得的焦点体积或强度的这些变化之间的相关性。
讨论
在这里,我们展示了离线theta-burst模式TUS(经颅超声刺激)后两个深层皮层区域的神经化学和功能连接变化。我们发现PCC(后扣带皮层)在MR模态下出现一致且强大的变化:通过MRS测量得到的GABA减少以及与PCC目标和默认模式网络的rsfMRI功能连接增加。我们在dACC(前扣带皮层)的结果不太明确,只发现与目标和显著性网络的功能连接增加,但没有GABA的变化。综合这些变化,这表明theta-burst TUS可以在人类深层皮层区域中暂时降低皮层抑制,持续至少50分钟。我们的发现补充了现有证据,即theta-burst TUS增加了人类运动皮层的皮质脊髓兴奋性,并且还代表了与深层皮层区域的theta-burst TUS相关的神经化学和功能连接变化的证据。兴奋性变化的时间尺度,至少在TUS后50分钟内,相对于刺激的持续时间,暗示了可逆性神经可塑性的诱导,可能与神经元的长期增强/抑制有关。
在应用theta-burst TUS到PCC并与假刺激和应用到dACC的TUS相比之后,PCC体素中GABA水平显著下降,这表明在目标区域内存在局部的GABA减少。这表明TUS介导的GABA减少在人体中也存在,并且与研究发现的超声波引起大鼠细胞外GABA减少的结果相互呼应。其他类型的刺激,包括TMS和tDCS,也报告了局部的GABA减少。在人体中,使用MRS的重复TMS研究(参见12进行综述)显示了TMS靶点20,21处GABA水平的变化,以及与目标区域相连的网络区域22,23处的变化。在一项使用阳极tDCS的研究中,发现GABA在20分钟的刺激过程中逐渐减少,在刺激后的10-15分钟左右达到**减少,然后逐渐恢复到基线水平24。在这里,我们展示了80秒的theta-burst TUS协议引起的GABA减少在刺激后至少持续30分钟,然而,由于我们在每个会话中只对TUS靶点位置进行了一个体素的采样,所以目前不清楚GABA水平在刺激过程中和刺激后立即发生的变化,以及GABA水平在TUS后多长时间恢复到基线水平。
经过PCC的TUS后,整个大脑区域的功能连接性增强,补充了通过MRS发现的GABA的降低(或抑制降低)。经过dACC的TUS后,dACC的功能连接性也增强,尽管没有相应的GABA变化。在基于种子和基于网络的分析中,早期和晚期rsfMRI运行(分别在TUS后大约13分钟和46分钟)之间的连接性增强模式存在差异,晚期rsfMRI运行中显示出更大的区域网络连接性增强。这在基于网络的ICA中得到了体现,只有在晚期rsfMRI运行中,与TUS后的相关区域相连的默认模式网络和显著性网络才显示出与假手术组有显著差异的变化,而早期运行中没有。
使用TMS、脑磁图(MEG)和相同的theta-burstTUS协议,Samuel等人报道了运动皮层兴奋性的增加以及运动区域局部MEG相干性的增加,TMS的变化与MEG相干性测量结果相关。有几项研究报告了“在线”TUS对fMRI的影响主要集中在TUS靶向的区域,然而相对较少的研究报告了fMRI或血流变化,这些变化是通过离线TUS协议来诱导皮层兴奋性长期变化的。在一项这样的研究中,应用于右侧额下回的TUS降低了与情绪和情绪调节相关的一组区域的功能连接。另一项以抑制性TUS协议靶向球后部发现了一组额顶叶和丘脑区域的功能连接减少。我们的结果补充了这些研究,并显示了与TUS靶向功能相关的一组脑区的远端变化。我们没有发现功能连接与GABA变化之间的关联,这可能是由于不同机制导致的,这些机制在GABA介导的皮层抑制局部减少和功能连接增加之间存在差异,而这些功能连接位于远离但与靶向区域功能连接的区域网络中。
我们的研究结果还暗示了TUS神经调节可能存在一种状态依赖的机制。当TUS应用于PCC(知觉运动皮层)时,我们观察到了神经调节效果更为显著的模式,而PCC在清醒休息期间被认为是重要的脑区。只有当TUS应用于PCC时,才会出现GABA的局部变化,而当TUS应用于dACC(前扣带皮层)时并未观察到这种变化。虽然两个脑区的TUS都显示出了各自网络中的功能连接变化,但PCC的TUS还额外增加了dACC种子区的功能连接。PCC是默认模式网络的重要组成部分,在休息状态下更为“活跃”,而dACC是显著网络的一部分,通常与默认模式网络呈反相关。越来越多的证据支持脑刺激中存在状态依赖的机制,人们越来越认同认知状态或意识状态对大脑对干预措施的反应具有重要影响。在啮齿动物海马脑片的CA1锥体神经元的贴片钳记录中,超声波已被证明可以抑制或增强神经元的放电,这取决于目标细胞的放电模式(如高频率、不规则/不频繁或无放电)。同样,在猕猴中,TUS的调节效果也因神经元是否处于活跃或休息状态而不同。
前扣带皮层(PCC)和背扣带带皮层(dACC)中神经元的形态和组成的固有差异也可能对发现的神经调节效应的差异起到贡献作用。dACC是一个复杂的区域,70%的个体除了至少一个半球的前扣带沟之外,还显示了一个额外的扣带沟,即副前扣带沟。这可能导致dACC的功能更加异质,并且对神经刺激的反应也是异质的。还有可能刺激在不同的神经元群体中表现出不同的神经调节效应。来自人类蛋白质图谱的转录组数据表明这两个区域之间可能存在组织组成的差异,特别是在几种离子通道的存在方面存在变异。例如,T型Ca2+通道被认为对声波敏感,并且相应的编码蛋白基因可能在PCC相对于dACC中优先表达。
我们没有发现Glx(谷氨酰胺+谷氨酸复合物)浓度的变化。这可能有几个解释。首先,MEGA-PRESS是一种GABA编辑序列,而不是用于测量Glx的优化序列。可以从离共振MEGA-PRESS光谱中定量Glx,但这些测量在不同的脑区域中可靠性不清楚。一项研究发现,PRESS和离共振MEGA-PRESS Glx估计在背外侧额叶皮层中高度相关。然而,另一项专门研究dACC的研究发现,在感觉运动皮层中,PRESS和离共振MEGA-PRESS之间的一致性要好于dACC,尽管两个区域都与单独获取的PRESS光谱一致性较差。3522集团的新网站的研究可以使用其他序列来定量Glx,或者在更高的MR场强下获取光谱,以便可以单独测量谷氨酰胺和谷氨酸信号。
我们的声学模拟显示了在不同目标深度处的压力分布和焦点场大小的差异,这在瞄准深层皮层区域时是一个重要的考虑因素,并凸显了声学模拟在超声治疗中的重要性。我们观察到在TUS目标处的焦点体积(约为200 mm3,分别为PCC和dACC的平均焦点体积的27-37%)和强度(约为3 W/cm2,分别为平均强度的12-13%)存在个体间的变异。这种个体间的变异可能是由于声压在颅骨处的散射以及TUS相对于个体颅骨的定位等多种因素造成的。虽然我们没有发现焦点体积或强度的变异与GABA或功能连接变化量之间的关联,但在更难瞄准的区域(例如,颅骨与声束轨迹不严格垂直或组成不均匀)可能会有所不同,因此在分析结果时值得考虑或予以考虑。
另一个可能的限制是该研究被设计为单盲研究:实验者和分析数据的研究人员意识到研究条件,这可能在数据收集和分析过程中引入一些偏见。我们试图设计通过骨传导耳机传递的声音在假刺激条件下与TUS条件密切匹配。少数几位熟悉TUS设备的参与者(n = 4)能够识别出假刺激条件。然而,大多数参与者(n = 20)在完成研究后被问及是否有假刺激条件时并不知情。因此,我们相信大多数参与者对研究条件保持了足够的盲态。
目前,TUS研究界对于识别既能够兴奋又能够抑制的TUS协议非常感兴趣。我们的研究结果帮助阐明了这一过程,通过解释theta-burst TUS如何在两个深层皮层靶区及其相关的全脑区域网络中诱导神经可塑性,并且暗示这些变化可能与状态有关。这对于基础TUS研究和其临床转化的理解和设计具有基本的意义。
方法
该研究已于2022年3月10日在Open Science Framework上进行了预注册://osf.io/bcf4v。与预先注册的方案**的偏差是我们根据水听器测量结果设置了自由场ISPPA。支持本研究结果的数据可在//osf.io/rp5g4/上获得。
参与者
本研究共有24名健康志愿者参与(其中14名女性),年龄在22至53岁之间(平均年龄为33.8岁,标准差为9.7岁)。参与者在研究期间未报告任何神经系统或精神障碍的诊断,并且未服用任何已知影响脑兴奋性的药物。针对TUS和MRI的安全性,我们排除了以下情况的参与者:1)怀孕(自我报告),2)使用精神活性药物,3)存在任何MRI禁忌症,4)目前或曾经被诊断出任何神经系统疾病,5)目前或曾经被诊断出精神障碍(包括持续严重精神疾病,但不包括抑郁症/焦虑症的病史),6)一级亲属患有癫痫,7)经历极端情绪波动,或8)目前正在使用处方药或非处方药物(包括对中枢神经系统有作用的药物,促发癫痫的药物,降低癫痫阈值的药物(或药物组合)或戒断这些药物引起癫痫阈值降低的药物(即抗癫痫药物戒断);有关被排除药物的完整列表,请参见补充表3),除非这些药物不会干扰研究程序或危及安全。该研究获得了普利茅斯大学健康学院教职员工研究伦理和诚信委员会的批准(参考编号:2487;日期:2021年12月13日)。在完全解释实验程序后,我们从所有参与者那里获得了书面知情同意。每次完成一个研究阶段的参与者将获得30英镑的补偿,并且每次研究阶段的旅行费用最高可报销10英镑。所有研究阶段都在英国普利茅斯的脑科学研究与成像中心进行。
研究设计
图1总结了研究设计和程序。所有参与者至少相隔一周,在相同的时间进行了三次独立的TUS和MRI会话,以控制循环节律对GABA波动的影响( ± 30 分钟)。在每个会话期间,他们接受了施加在左dACC、左PCC或假TUS上的TUS,然后进行了一系列的MRI扫描。在假TUS会话期间,没有进行刺激,换能器放置在中扣带皮层上。三个会话(dACC TUS、PCC TUS或假TUS)的顺序在受试者之间是平衡的。
对于被分配为首次会话进行真实TUS的参与者,我们在他们的**次TUS和MRI会话之前获取了高分辨率的T1加权MR图像。高分辨率的T1加权MR图像用于估计每个参与者的骨密度和几何模型,以用于声学模拟和神经导航。
超声刺激
我们使用了NeuroFUS TPO和CTX-500-4超声换能器(Brainbox Ltd.,英国加的夫)。这包括一个由四个超声换能器(直径64 mm)组成的超声换能器,中心频率为500 kHz。我们使用了theta-burst TUS协议,参数如下:脉冲持续时间=20 ms,脉冲重复间隔=200 ms,总持续时间=80 s,总共发出400个脉冲。每个参与者的目标自由场空间峰值脉冲平均强度(ISPPA)保持恒定,为33.8 W/cm2。我们进行了经颅声学模拟(见“声学模拟”部分),以确保在经颅传输后仍然低于FDA对诊断超声的指导方针(MI≤1.9;ISPPA≤190 W/cm2)。此外,我们确保在TUS的整个80 s持续时间内,温度上升**值不超过2°C,这是通过我们的热模拟得出的结果。
我们通过分开目标区域上的任何头发并涂抹超声传输凝胶(Aquasonic 100,Parker Laboratories Inc.)来准备每个参与者的头部。我们将超声凝胶涂抹在换能器上,使用凝胶垫(Aquaflex,Parker Laboratories Inc.),并尽可能地确保换能器面和参与者头部之间没有气泡。
神经导航使用Brainsight软件v 2.4.11(Rogue Research Inc.,加拿大魁北克省蒙特利尔)在每个参与者的解剖T1加权MRI扫描中进行。根据神经导航的目标,为每个参与者和脑区调整了焦点深度。在TUS期间,我们使用软件采样超声换能器坐标,并记录与预期焦点的任何偏差。超声换能器和目标的位置用于声学模拟。在每次TUS声音照射后,参与者被要求通过一个开放式TUS症状问卷在第二天完成,报告他们认为与TUS相关的任何症状。
Sham TUS以与真实TUS相同的方式进行,只是将换能器的电源关闭。为了控制听觉效应,我们通过骨传导耳机播放了模拟真实TUS的脉冲重复和持续时间的声音。我们设计了与TUS协议产生的超声脉冲匹配的波形(频率、脉冲重复频率和脉冲持续时间)。我们调整了采样率以改变声音的音调,并请五名有TUS协议经验的实验室成员对最能匹配TUS的声音进行投票,并在伪装条件下播放此声音。耳机放置在参与者头部的太阳穴后约2厘米处,所有会话期间只在伪装会话期间播放声音,以便参与者不会听到两种不同的声音(即来自TUS协议的实际声音和通过耳机播放的音频)在真实TUS条件下。当他们完成了所有三个会话后,我们询问参与者能否区分伪装和真实TUS。
磁共振采集
在TUS后,参与者在一台32通道头线圈的西门子MAGNETOM Prisma 3T扫描仪(VE11E,西门子健康公司,德国埃朗根)上进行了一系列磁共振成像扫描。扫描序列如下:
1.T1加权磁化准备快速梯度回波(MPRAGE)序列,用于MRS体素规划(重复时间(TR)2100毫秒,回波时间(TE)2.26毫秒,反转时间900毫秒,翻转角(FA)8°,GRAPPA加速因子2,256×256毫米视野,176层和1毫米3等体素)
2.定位图(用于检查相对于T1加权MR扫描的运动)
3.5分钟的静息态梯度回波回波平面成像(GE-EPI)fMRI扫描,期间MRS体素被定位(磁共振研究中心,CMRR,来自//www.cmrr.umn.edu/multiband/的多带fMRI序列,采集平面大致平行于AC-PC线,2000毫秒TR,30毫秒TE,74°FA,2.5毫米切片厚度,无切片间隙,多带加速因子为2,60个交错切片,80×80矩阵大小,体素大小为2.5×2.5×2.5毫米3)
4.MRS局部化定位
5.MRS翻转角度校准(体素放置在TUS目标区域上)
6.TUS目标区域的MRS采集(2 × 2 × 2 cm3体素,CMRR单体素谱Mega-Press序列35,2000 ms TR,68 ms TE,带有VAPOUR水抑制,128个平均值,编辑开/关频率为1.90/7.50,编辑脉冲带宽50.55 Hz,谱点数2048,谱宽1850 Hz,水未抑制参考:16个平均值)
7.对照区域的MRS采集(与上述参数相同)
8.MRS后定位图
9.场地图(尽可能与fMRI采集的测量参数匹配)。
10.5分钟静息态fMRI(与上述参数相同)
每次进行MRS采集之前都会进行自动调谐(使用西门子脑部方法),如果信号的全宽半**值超过20 Hz,则会进行额外的手动调谐。
超声和MRS的目标位置
左侧的dACC和左侧的PCC目标针对TUS是基于与蒙特利尔神经科学研究所(MNI)坐标空间的初始共注册进行识别的,其中dACC的坐标为x = -5,y = 24,z = 30,PCC的坐标为x = -5,y = -35,z = 35。然后,根据每个个体的T1加权MRI上的解剖标志进行调整。dACC目标与胼胝体的后部和体的最上点对齐,在扣带回的灰质区域居中。PCC目标与胼胝体的脑桥中部对齐,大致与扣带沟的上行支平行,并且在此之前的灰质区域下方居中。MRS是在从TUS会话中的目标中心获取的,以确保TUS焦点与MRS采集之间的重叠。图3c和附图3显示了两个个体中的体素放置示例。
声学测量和模拟
我们使用校准的0.4毫米Onda水听器(HGL-0400 S/N: 2498)在自制的水槽36(//github.com/SamC873/FUSF_Hydrophone_Scanner)中测量了我们的NeuroFUS超声换能器的输出。水槽(玻璃水族箱;长度=80厘米,宽度=35厘米)中装满了去离子水(水深=27厘米),温度为23.1摄氏度。NeuroFUS系统被设置为以**2瓦的功率输出产生脉冲宽度为0.06毫秒、脉冲重复间隔为2毫秒的波形。在以聚焦点为中心的80毫米范围内,我们以1毫米的步长沿着波束轴线进行线扫描,并以0.5毫米的步长沿着穿过聚焦点的超声波束的横向截面在30毫米范围内进行扫描。我们测量了两个聚焦深度设置(60毫米和69毫米)的轴向和横向压力分布,并根据测得的自由场强度进行声学模拟。
我们在MATLAB(R2020b,MathWorks,Inc.)中使用k-Wave Toolbox37(版本1.4)进行模拟,并根据NeuroFUS换能器的物理特性和TPO单位报告的相位来建模我们的换能器。我们首先在水中进行声学模拟,以表征经过颅骨衰减之前的超声波束,目标ISPPA为33.8 W/cm2。由于dACC和PCC位于皮层的不同深度,我们模拟了60 mm和69 mm的聚焦深度处的超声波束,分别代表了所有个体中dACC和PCC靶区的平均聚焦深度。
接下来,我们对研究中的每个参与者在dACC和PCC区域进行了经颅模拟。我们使用深度学习方法38,39从参与者的T1加权MRI推导的伪CT中估计了每位参与者的颅骨。通过在300 HU的阈值处截取伪CT图像来获得颅骨,并将大于2000 HU的数值固定。根据密度、声速和吸收系数的方程描述中所述,将伪CT HU强度线性映射到声学属性。我们将模拟网格大小设置为一个以激发器和焦点中点为中心的256×256×256矩阵,网格间距为0.5毫米(即每个波长在500 kHz下有6个点)。我们的声学模拟方法在其他地方有更详细的描述38,并且代码可以在网上找到。
光谱数据分析
MRS处理和分析在Gannet43(//www.gabamrs.com/)中完成。处理步骤包括3 Hz的线条加宽,通过光谱配准44进行频率和相位误差校正,排除异常值,时间平均和涡流校正。编辑后的差异光谱经模拟计算,以水为参考,来量化3.0 ppm的GABA+和3.75 ppm的Glx信号。使用SPM1245对T1加权MR图像进行分割,以获得MRS体素范围内的修正了组织的测量46。通过目视检查MRS谱图,排除了光谱伪迹,包括脂质污染、减法误差和非恒定的基线。根据以下质量指标,我们排除了数据的异常值:FWHM、GABA+信噪比(SNR)、线宽和模型拟合误差。在Sham会话期间,从dACC和PCC体素获得的示例光谱如补充图3所示。
对于每个像素,通过应用GLM(包括年龄、性别、模拟的原位ISPPA和模拟的TUS焦点体积作为协变量)来评估TUS和模拟操作两种情况下的GABA+/水和Glx/水的变化。使用Holm校正进行多重比较的ANOVA with main effects和事后检验,p值<0.05被认为具有统计学显著性。协变量的选择基于可能影响像素内GABA水平的因素。统计分析在JAMOVI 2.0.0版本中进行(//www.jamovi.org)。遗漏或排除的数据在模型中被视为NaNs。
功能性磁共振数据分析:基于种子的连接
FMRI数据经过预处理和分析,使用FEAT(FMRI专家分析工具)版本6.00进行分析,该工具是FSL(FMRIB软件库,www.fmrib.ox.ac.uk/fsl)的一部分。预处理包括运动校正、B0场均匀性校正、脑提取、空间平滑(5 mm FWHM)和高通滤波(0.01 Hz)。RSFMRI数据通过线性变换至被试的高分辨率T1加权MRI,并通过非线性变换到MNI模板,将其与MNI标准空间共注册。使用fslmotionoutliers工具标识运动异常值,并作为干扰协变量与白质和脑脊液的平均信号以及运动校正步骤的六个运动参数一同考虑。
对于每个科目和每个阶段,使用来自dACC和PCC声学模拟的科目特定的TUS聚焦体积作为种子执行了基于种子的连接性分析。为了创建科目特定的TUS种子,首先从模拟的压力场中获取**压力强度的前25%来创建二值掩模。然后将此二值体积膨胀两个体素,以获得dACC的平均种子体积为805±162 mm3,PCC的平均种子体积为1003±178 mm3(作为参考,用于基于种子的功能连接性分析的典型6 mm半径球形种子的体积为905 mm3)。从每个种子中进行采样获得平均时间序列,并将其作为感兴趣的变量在基于体素的整个脑GLM中使用FSL的FEAT实现,同时将上面描述的干扰因子作为非感兴趣变量。
功能性连接的dACC和PCC种子首先在受试者水平上进行组合,使用固定效应模型将每个TUS会话和运行与模拟运行的平均值进行比较。对于每个种子的受试者间比较,使用混合效应模型(FLAME1 + 2)进行,自动检测异常值,并使用年龄和性别作为协变量。整个脑的Z统计图像使用Z > 2.3的聚类确定阈值(p = 0.05),并且具有p = 0.05的簇显著性阈值的家族错误校正。将每个TUS会话与伪操作条件中相应运行(即运行1 TUS vs 运行1伪操作和运行2 TUS vs 运行2伪操作)进行比较得出的结果在空间范围上相似但统计上不显著(补充图4)。由于伪操作条件中两次运行之间没有统计显着差异,我们将伪操作运行合并以增加fMRI信号噪声比和我们检测有源TUS和伪操作条件之间差异的能力。
功能性MR数据分析:静息态网络连接
我们研究了TUS对我们感兴趣的两个脑网络在静息态下的影响,涉及到我们的两个目标脑区。这两个网络分别是1)关注网络,包括背前扣带皮层和前岛叶,以及2)默认模式网络,包括后扣带皮层、前扣带皮层和双侧角回。
我们首先使用独立成分分析(FSL MELODIC中的多会话时空串联)对仅使用假冒会话进行兴趣网络的组平均空间图进行了识别(//fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki/MELODIC)。然后,我们使用双重回归方法47生成了每个受试者、会话和运行的主观特定版本的组平均空间图和相关时间序列。简而言之,这涉及将组平均的空间图集(作为多元回归中的空间回归器)回归到每个受试者的4D空时数据集上,得到一组主观特定的时间序列,每个组水平空间图一个。接下来,将这些时间序列(作为多元回归中的时间回归器)回归到同一个4D数据集中,得到一组主观特定的空间图,每个组水平空间图一个。然后,我们使用FSL的随机化排列测试工具和5000次排列测试对会话之间的差异进行了检验。
探索性分析:GABA和功能连接变化与模拟体内TUS强度的关系
我们使用Pearson相关分析方法,研究了TUS介导的PCC区域的GABA和功能连接变化是否存在相关性。首先,我们对每个个体的rsfMRI运行中显示出连接差异的区域进行了平均功能连接强度抽样。然后,将PCC与模拟运行之间的功能连接差异与PCC与模拟会议之间的GABA差异进行相关分析。相关性在常规alpha值p <0.05上进行了显著性检验。
颅骨对目标位置的TUS强度的衰减和畸变起到了很大的影响,而衰减的程度则因颅骨结构和目标深度而异。我们利用Pearson相关系数探索了在个体间模拟的TUS强度与焦点体积、MRS和rsfMRI测量之间的关联。