實(shí)驗(yàn)名稱：經(jīng)顱磁聲刺激與經(jīng)顱超聲刺激誘發(fā)肌電運(yùn)動(dòng)閾值的對(duì)比研究

研究方向：生物醫(yī)學(xué)

測(cè)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(chǎng)誘發(fā)感應(yīng)電流進(jìn)而對(duì)神經(jīng)組織進(jìn)行調(diào)控，具有安全無創(chuàng)、矢量性刺激的特點(diǎn)。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(rèn)知活動(dòng)與功能區(qū)定位。由于理論上電磁場(chǎng)遵循拉普拉斯方程，即TMS線圈的場(chǎng)強(qiáng)無法存在一個(gè)局部的極大值（聚焦點(diǎn)），因此難以實(shí)現(xiàn)毫米量級(jí)磁場(chǎng)或電場(chǎng)的聚焦，其刺激深度也局限于對(duì)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(qiáng)度的超聲聚焦作用于腦部靶區(qū)，利用超聲聲束的機(jī)械效應(yīng)對(duì)腦部進(jìn)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(shí)現(xiàn)深部刺激等潛在特點(diǎn)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(shí)現(xiàn)毫米級(jí)空間分辨的聚焦電刺激，可對(duì)神經(jīng)電活動(dòng)進(jìn)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(diǎn)刺激，特別是對(duì)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(zhǔn)刺激領(lǐng)域具有重要的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景。

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

圖：實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖

實(shí)驗(yàn)過程：

首先由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生特定重復(fù)頻率的脈沖觸發(fā)信號(hào)，信號(hào)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(hào)經(jīng)由ATA-4014高壓功率放大器放大后激勵(lì)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(zhǔn)直器聚焦，對(duì)實(shí)驗(yàn)小鼠腦部靶區(qū)進(jìn)行刺激。實(shí)驗(yàn)中，待刺激小鼠被固定于腦立體定位儀上，使用呼吸麻醉機(jī)，對(duì)實(shí)驗(yàn)小鼠進(jìn)行輕度氣體麻醉。表面磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.3T的靜磁鐵放置在實(shí)驗(yàn)小鼠旁的旋轉(zhuǎn)移動(dòng)支架上，以提供TMAS實(shí)驗(yàn)需要的靜磁場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)中，可通過旋轉(zhuǎn)支架控制磁場(chǎng)的施加與撤除，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)小鼠的TMAS和TUS過程。靜磁鐵的表面磁感應(yīng)強(qiáng)度通過高斯計(jì)測(cè)試獲得。此外，為了確定實(shí)驗(yàn)中的聲學(xué)參數(shù)，設(shè)置了聲場(chǎng)檢測(cè)裝置。針式水聽器用于檢測(cè)待刺激靶區(qū)的聲信號(hào)，該聲信號(hào)經(jīng)可變?cè)鲆娣糯笃?/u>由數(shù)字示波器顯示。實(shí)驗(yàn)中，使用多通道生理電信號(hào)采集處理系統(tǒng)對(duì)小鼠EMG進(jìn)行采集、放大及簡(jiǎn)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(lì)信號(hào)關(guān)系

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

本文基于小鼠EMG的采集、分析及運(yùn)動(dòng)閾值的獲取，對(duì)比研究了TUS與TMAS對(duì)運(yùn)動(dòng)皮層神經(jīng)的調(diào)控效果。結(jié)果表明：相對(duì)于TUS，TMAS可以在更低的超聲強(qiáng)度下誘發(fā)小鼠的EMG并檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)閾值；并且在相同超聲強(qiáng)度激勵(lì)下，TMAS引起EMG的成功率更高，運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)區(qū)調(diào)控能力，其原因是TMAS結(jié)合了耦合電場(chǎng)與聲場(chǎng)的復(fù)合刺激，同步的聲場(chǎng)與電場(chǎng)形成了協(xié)同調(diào)控。

圖：激勵(lì)電壓-刺激靶點(diǎn)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(yùn)動(dòng)反饋的最低超聲強(qiáng)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(yùn)動(dòng)反饋的超聲強(qiáng)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(shí)對(duì)TUS的研究也具有重要意義。本研究中還觀察到：對(duì)于TMAS，在磁場(chǎng)引入與撤除的一小段時(shí)間內(nèi)（3~10s），觀察到小鼠EMG的成功率相對(duì)于持續(xù)進(jìn)行磁場(chǎng)刺激時(shí)更高，這可能是由于神經(jīng)元細(xì)胞存在一定的磁效應(yīng)，使得神經(jīng)元細(xì)胞膜導(dǎo)電性改變或者閾電位降低。此外，本研究?jī)H選取了EMG作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，為進(jìn)一步探究TMAS對(duì)神經(jīng)電活動(dòng)的影響，下一步還可對(duì)小鼠的局部場(chǎng)電位、神經(jīng)電生理等信號(hào)進(jìn)行分析研究，更深入地探索TMAS對(duì)神經(jīng)元細(xì)胞的刺激原理與作用機(jī)制。

安泰ATA-4014高壓功率放大器：

圖：ATA-4014高壓功率放大器指標(biāo)參數(shù)

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