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腦機接口可直接修復(fù)運動感知功能，幫助高位截癱患者、漸凍癥患者、失明患者恢復(fù)獨立生活的能力和交流能力，也可以通過調(diào)控神經(jīng)治療一些心理疾病，在神經(jīng)病學(xué)和心理健康領(lǐng)域有廣闊前景。而非植入式腦機接口不需要植入手術(shù)，大眾接受度高，其信號質(zhì)量和調(diào)控精度得到改良后，在未來或許可以廣泛推廣。
文 | 聞靜
近日，中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心研究員熊志奇團隊在《腦刺激》（Brain Stimulation）上發(fā)表文章，報告了團隊在低強度超聲直接調(diào)控小腦皮層神經(jīng)活動研究獲得的新進展，為這種非植入式腦機接口技術(shù)的實際應(yīng)用又往前推進了一步。
新興的聚焦超聲技術(shù)
腦機接口的核心是充分發(fā)揮人腦的優(yōu)勢，繞過人體其他器官，讓大腦直接與外界裝備直接進行高效互動。該領(lǐng)域的主要挑戰(zhàn)在于，如何在最低限度損傷大腦和最大限度利用大腦之間達到平衡。
在神經(jīng)信號質(zhì)量和神經(jīng)調(diào)控精度等性能上，非植入式腦機接口與植入式腦機接口還存在差異，但是非植入式腦機接口不需要植入手術(shù)，如果出現(xiàn)副作用好消除，大眾的接受度也會更高。
腦機接口的關(guān)鍵是神經(jīng)調(diào)控技術(shù) —— 有針對性地將刺激（如電磁刺激、化學(xué)試劑等）傳遞到特定神經(jīng)部位，以此調(diào)控神經(jīng)活動。
目前，非植入式神經(jīng)調(diào)控技術(shù)主要有經(jīng)顱磁刺激（TMS）、經(jīng)顱直流電刺激（tDCS），可用于精神類疾病的治療與診斷。另外，還有新興的聚焦超聲（FUS）。相對來說，聚焦超聲具有空間精度高、穿透性強和可特異作用于深部腦區(qū)等優(yōu)勢。
過往的相關(guān)研究主要關(guān)注超聲對大腦部分區(qū)域的神經(jīng)調(diào)控作用，而超聲對小腦活動的調(diào)控潛力尚有待挖掘。
小鼠實驗證實有效性
在該研究中，實驗對象是富含脯氨酸的跨膜蛋白 2（Prrt2）基因點位突變的小鼠（缺乏 Prrt2），用超聲刺激其小腦皮層表現(xiàn)出來的運動障礙，部分涵蓋了陣發(fā)性運動誘發(fā)性運動障礙（PKD）的癥狀。相較于感覺誘導(dǎo)的肌肉反應(yīng)，這樣的行為反應(yīng)更直觀更讓人信服。
研究顯示，低強度超聲可誘導(dǎo)小腦皮層神經(jīng)元活動的可逆增加，并能可靠地觸發(fā) Prrt2 基因點位突變小鼠的行為反應(yīng)。
研究還排除了外周聽覺通路和間接聽覺機制（如應(yīng)激源、足電擊、咖啡因、乙醇、跑步等）的影響，確認(rèn)低強度超聲確實對小鼠的小腦皮層有調(diào)控作用。
在實驗中，可以觀察到神經(jīng)活動的變化持續(xù)超過了刺激持續(xù)時間。這種可能是由神經(jīng)元興奮性的改變導(dǎo)致的結(jié)果，是開發(fā)基于無創(chuàng)神經(jīng)調(diào)控的康復(fù)策略的一個重要思路。本次實驗，是科學(xué)家首次在細胞水平上觀察到超聲刺激的持續(xù)效應(yīng)，這也證明了超聲誘導(dǎo)的小腦皮層神經(jīng)元持續(xù)效應(yīng)的普遍性和異質(zhì)性。
研究人員表示，使用更高時間分辨率的基因編碼電壓指示器（又稱基因編碼膜電位探針，是一種能將神經(jīng)膜電位直接轉(zhuǎn)換為熒光信號的跨膜蛋白）進行進一步的實驗，可能會為解開神經(jīng)回路的復(fù)雜性提供更多細節(jié)。
參考文獻：
https://doi.org/10.1016/j.brs.2023.05.012
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