研究進展：激光散斑與內源光多模態成像評測超聲功能調控
在神經科學領域，超聲神經調節技術正以其非侵入性和精準靶向深部腦區的優勢，成為治療癲癇、抑郁癥和阿爾茨海默病等神經疾病的新興工具。然而，傳統超聲換能器的不透明性和體積龐大性，嚴重限制了其與光學成像技術的整合應用。光學成像雖能揭示超聲刺激的分子機制，但兩者結合的技術瓶頸始終未被攻克。近期，賓夕法尼亞州立大學研究團隊發表的論文提出了一種創新解決方案——基于透明鈮酸鋰超聲換能器（TUT）的顱窗技術，為清醒小鼠模型中的超聲神經調節機制研究開辟了新路徑。
這項技術突破了傳統超聲設備的物理限制，通過在薄化顱骨上集成微型化透明換能器，實現了同軸超聲刺激與多模態光學成像的無縫整合。研究團隊利用激光散斑對比成像（LSCI）和內在光學信號成像（IOSI）技術，觀察到超聲刺激可顯著增加腦血流量和總血紅蛋白含量，且血流動力學變化與刺激參數呈正相關。這一發現不僅驗證了TUT顱窗技術的可行性，更為超聲神經調節從基礎研究向臨床轉化提供了關鍵技術支持。
研究背景與技術挑戰
超聲神經調節的潛力
超聲神經調節技術通過低強度聚焦超聲波精準調控神經元活動，近年來在動物模型中展現出治療潛力。研究表明，超聲刺激能夠非侵入性地調節深部腦區的神經活動，為治療癲癇、抑郁癥和阿爾茨海默病等疾病提供了新思路。然而，現有研究多依賴麻醉狀態下的開顱手術，這種侵入性操作可能引發炎癥反應和神經膠質細胞激活，干擾實驗結果。
傳統技術的局限性
傳統超聲換能器需要水或凝膠作為耦合介質，不僅增加了設備體積，還可能因散熱效應導致腦區溫度波動，影響神經血管耦合穩定性。光學成像技術雖能提供高時空分辨率的分子機制研究手段，但其與超聲設備的整合面臨兩大核心挑戰：一是傳統換能器的不透明性導致光學信號無法同軸穿透，二是設備體積限制了在清醒動物模型中的應用。
光學成像技術在研究超聲神經調節機制中具有獨特優勢，但傳統超聲換能器的不透明性和體積龐大性限制了其應用。現有解決方案如光纖光度計耦合超聲系統（PhoCUS）雖實現了自由行為小鼠的超聲刺激，但需插入光纖探頭，增加了侵入性；而基于玻璃顱窗的成像方法則因聲學阻抗失配，無法實現同軸超聲刺激與光學記錄。
技術創新與應用
透明換能器的設計原理
研究團隊開發的TUT顱窗技術采用36°Y切割鈮酸鋰晶體，通過微納加工工藝制備出4×4mm²的透明換能器，其核心元件為3×3mm²的壓電材料。該換能器在12MHz頻率下實現最大聲壓輸出，可在薄化顱骨上穩定工作超過10周，且通過丙烯酸酯膠粘劑強化后，顯著降低了開顱手術引起的炎癥反應。
基于TUT的光學成像超聲刺激裝置
TUT顱窗的制造與集成TUT顱窗的制造過程包括鈮酸鋰晶體的切割、拋光和聲學匹配層的沉積。研究團隊通過有限元分析驗證了TUT在不同輸入電壓下的線性響應特性，并計算出組織內最大溫升僅為0.03°C，遠低于小鼠腦組織的熱損傷閾值。此外，TUT顱窗通過薄化顱骨的聲學阻抗匹配，實現了高效的超聲傳輸。
應用場景與參數優化
在應用層面，TUT顱窗技術實現了超聲刺激參數的精確調控。實驗中，研究者通過改變總刺激時間（TST）、峰值負壓（PNP）、總脈沖持續時間（TBD）和脈沖重復頻率（PRF）等參數，系統研究了超聲刺激對皮層血流動力學的影響。結果顯示，血流動力學變化的峰值和累積效應與TST和PNP呈正相關，而TBD和PRF的變化對血流動力學影響較小。
TUT特征
成像實驗與結果分析
實驗設計與成像方法
研究團隊采用LSCI和IOSI兩種互補技術對超聲刺激引起的血流動力學變化進行定量分析。LSCI通過分析紅細胞運動引起的激光散斑圖案變化，間接推算腦血流量（CBF）；IOSI則利用530nm波長光對氧合和脫氧血紅蛋白的等吸收點特性，直接測量總血紅蛋白（HbT）變化。實驗中，每只小鼠接受七次超聲刺激，每次刺激間隔30秒，總記錄時間為240秒。
數據分析與結果驗證
數據分析表明，超聲刺激后CBF和HbT均在1.5-1.7秒達到峰值，并在4秒內恢復至基線水平。值得注意的是，LSCI在刺激后0.9秒出現額外峰值，經體外實驗驗證，這是由超聲振動引起的靜態散斑干擾所致。為消除這一偽影，研究者采用1.2秒的時間窗對數據進行相關性分析，發現CBF與HbT變化在刺激后1秒內相關系數恢復至0.8以上，證明了數據的有效性。
超聲刺激誘導的大腦中CBF和HbT變化
多參數分析與機制探討多參數分析進一步揭示了超聲刺激參數對血流動力學變化的定量影響。當TST從25ms增加至250ms時，CBF和HbT的峰值變化及曲線下面積（AUC）均顯著增加；PNP從230.8kPa提升至486.2kPa時，同樣觀察到血流動力學響應的單調增強。而TBD和PRF的變化對CBF影響較小，但IOSI檢測到HbT變化在PRF從100Hz增加至300Hz時出現顯著上升。這種差異可能與皮層和皮層下區域的組織彈性差異以及神經元對PRF的特異性響應有關。
總結與展望
TUT顱窗技術作為超聲神經調節領域的重大創新，成功解決了傳統設備在光學成像兼容性和清醒動物實驗中的技術瓶頸。其核心優勢在于：一是設備的可擴展性，可根據研究需求定制不同尺寸和頻率的換能器；二是與現有玻璃顱窗記錄系統的兼容性，降低了技術轉化門檻；三是成本優勢，單個TUT的制造成本低于20美元，遠低于傳統超聲換能器。研究團隊計劃通過增加鈮酸鋰晶體厚度開發低頻TUT顱窗，以實現深部腦區的超聲調節；同時，通過多波長光學成像探索神經元活動與膠質細胞反應的動態關系。此外，TUT技術有望發展為透明換能器陣列，實現對大腦不同區域的超聲波精準調控，同時兼容超快超聲、光聲和光學成像的多模態應用。隨著技術的不斷完善，TUT顱窗有望成為連接基礎神經科學與臨床神經醫學的橋梁，為揭示大腦奧秘和改善人類健康開辟新的可能性。
聲明：本文僅用作學術目的。
Mirg S, Samanta K, Chen H, Jiang J, Turner KL, Salehi F, Ramiah KM, Drew PJ, Kothapalli SR. Integrated Ultrasound Neuromodulation and Optical Neuroimaging in Awake Mice using a Transparent Ultrasound Transducer Cranial Window. bioRxiv [Preprint]. 2025 Feb 24:2025.02.19.638722.
DOI:10.1101/2025.02.19.638722.
