實驗名稱：經(jīng)顱磁聲刺激與經(jīng)顱超聲刺激誘發(fā)肌電運動閾值的對比研究

　　研究方向：生物醫(yī)學(xué)

　　測試目的：

　　在腦科學(xué)與神經(jīng)科學(xué)研究中，物理刺激是目前應(yīng)用最廣泛的電磁刺激技術(shù)。該技術(shù)利用變化的磁場誘發(fā)感應(yīng)電流進而對神經(jīng)組織進行調(diào)控，具有安全無創(chuàng)、矢量性刺激的特點。TMS不僅廣泛應(yīng)用于神經(jīng)疾病的治療，如抑郁癥、癲癇等，還可以用于腦認知活動與功能區(qū)定位。由于理論上電磁場遵循拉普拉斯方程，即TMS線圈的場強無法存在一個局部的極大值（聚焦點），因此難以實現(xiàn)毫米量級磁場或電場的聚焦，其刺激深度也局限于對皮層的刺激。經(jīng)顱超聲刺激（transcranialultrasound stimulation，TUS）作為一種新型的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)，將低強度的超聲聚焦作用于腦部靶區(qū)，利用超聲聲束的機械效應(yīng)對腦部進行無創(chuàng)的神經(jīng)刺激，是一種力學(xué)調(diào)控。TUS因具有非侵入性、高空間分辨力、可實現(xiàn)深部刺激等潛在特點引起愈加廣泛的關(guān)注與研究。而經(jīng)顱磁聲刺激（transcranialmagneto-acoustical stimulation，TMAS）是一種基于磁聲耦合原理的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)，它利用超聲的聚焦性可實現(xiàn)毫米級空間分辨的聚焦電刺激，可對神經(jīng)電活動進行直接調(diào)控。該方法在保證刺激深度的情況下可獲得更好的定位和腦功能區(qū)靶點刺激，特別是對刺激靶向性要求更高的腦功能分區(qū)領(lǐng)域以及深部經(jīng)顱精準刺激領(lǐng)域具有重要的研究價值和應(yīng)用前景。

　　測試設(shè)備：ATA-4014高壓功率放大器、信號發(fā)生器、移動支架、旋轉(zhuǎn)槽、靜磁鐵、超聲換能器、聲準直器、立體定位儀、通道生理記錄儀

　　圖：實驗系統(tǒng)框圖

　　實驗過程：

　　首先由信號發(fā)生器產(chǎn)生特定重復(fù)頻率的脈沖觸發(fā)信號，信號發(fā)生器用于產(chǎn)生特定幅值及寬度的脈沖串。調(diào)制后的超聲信號經(jīng)由ATA-4014高壓功率放大器放大后激勵超聲換能器，該換能器為平面型超聲換能器，中心頻率500kHz，帶寬300kHz。換能器發(fā)射的超聲波經(jīng)聲準直器聚焦，對實驗小鼠腦部靶區(qū)進行刺激。實驗中，待刺激小鼠被固定于腦立體定位儀上，使用呼吸麻醉機，對實驗小鼠進行輕度氣體麻醉。表面磁感應(yīng)強度為0.3T的靜磁鐵放置在實驗小鼠旁的旋轉(zhuǎn)移動支架上，以提供TMAS實驗需要的靜磁場。實驗中，可通過旋轉(zhuǎn)支架控制磁場的施加與撤除，分別實現(xiàn)對小鼠的TMAS和TUS過程。靜磁鐵的表面磁感應(yīng)強度通過高斯計測試獲得。此外，為了確定實驗中的聲學(xué)參數(shù)，設(shè)置了聲場檢測裝置。針式水聽器用于檢測待刺激靶區(qū)的聲信號，該聲信號經(jīng)可變增益放大器由數(shù)字示波器顯示。實驗中，使用多通道生理電信號采集處理系統(tǒng)對小鼠EMG進行采集、放大及簡單濾波。EMG的后期分析、處理使用MATLAB工具包。

　　圖：小鼠EMG與TMAS激勵信號關(guān)系

　　實驗結(jié)果：

　　本文基于小鼠EMG的采集、分析及運動閾值的獲取，對比研究了TUS與TMAS對運動皮層神經(jīng)的調(diào)控效果。結(jié)果表明：相對于TUS，TMAS可以在更低的超聲強度下誘發(fā)小鼠的EMG并檢測到運動閾值；并且在相同超聲強度激勵下，TMAS引起EMG的成功率更高，運動反饋也更加穩(wěn)定。該結(jié)果反映出TMAS較TUS具有更有效的小鼠腦皮層運動區(qū)調(diào)控能力，其原因是TMAS結(jié)合了耦合電場與聲場的復(fù)合刺激，同步的聲場與電場形成了協(xié)同調(diào)控。

　　圖：激勵電壓-刺激靶點處聲壓曲線

　　此外，有研究表明，小鼠在TUS作用下能夠誘發(fā)運動反饋的最低超聲強Ispta不低于100mW/cm2。但是，本研究結(jié)果表明TMAS可以將能夠引起運動反饋的超聲強度Ispta降低約80%，這很大程度上可以降低超聲的熱效應(yīng)和空化效應(yīng)給神經(jīng)組織可能帶來的損傷。同時對TUS的研究也具有重要意義。本研究中還觀察到：對于TMAS，在磁場引入與撤除的一小段時間內(nèi)（3~10s），觀察到小鼠EMG的成功率相對于持續(xù)進行磁場刺激時更高，這可能是由于神經(jīng)元細胞存在一定的磁效應(yīng)，使得神經(jīng)元細胞膜導(dǎo)電性改變或者閾電位降低。此外，本研究僅選取了EMG作為評價指標，為進一步探究TMAS對神經(jīng)電活動的影響，下一步還可對小鼠的局部場電位、神經(jīng)電生理等信號進行分析研究，更深入地探索TMAS對神經(jīng)元細胞的刺激原理與作用機制。

　　安泰ATA-4014高壓功率放大器：

　　圖：ATA-4014高壓功率放大器指標參數(shù)

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