實驗名稱：經顱磁聲刺激與經顱超聲刺激誘發肌電運動閾值的對比研究

研究方向：生物醫學

測試目的：

在腦科學與神經科學研究中，物理刺激是目前應用最廣泛的電磁刺激技術。該技術利用變化的磁場誘發感應電流進而對神經組織進行調控，具有安全無創、矢量性刺激的特點。TMS不僅廣泛應用于神經疾病的治療，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。經顱超聲刺激（transcranialultrasound stimulation，TUS）作為一種新型的神經調控技術，將低強度的超聲聚焦作用于腦部靶區，利用超聲聲束的機械效應對腦部進行無創的神經刺激，是一種力學調控。TUS因具有非侵入性、高空間分辨力、可實現深部刺激等潛在特點引起愈加廣泛的關注與研究。而經顱磁聲刺激（transcranialmagneto-acoustical stimulation，TMAS）是一種基于磁聲耦合原理的神經調控技術，它利用超聲的聚焦性可實現毫米級空間分辨的聚焦電刺激，可對神經電活動進行直接調控。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靶點刺激，特別是對刺激靶向性要求更高的腦功能分區領域以及深部經顱精準刺激領域具有重要的研究價值和應用前景。

測試設備：ATA-4014高壓功率放大器、信號發生器、移動支架、旋轉槽、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：實驗系統框圖

實驗過程：

首先由信號發生器產生特定重復頻率的脈沖觸發信號，信號發生器用于產生特定幅值及寬度的脈沖串。調制后的超聲信號經由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。換能器發射的超聲波經聲準直器聚焦，對實驗小鼠腦部靶區進行刺激。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。表面磁感應強度為0.3T的靜磁鐵放置在實驗小鼠旁的旋轉移動支架上，以提供TMAS實驗需要的靜磁場。實驗中，可通過旋轉支架控制磁場的施加與撤除，分別實現對小鼠的TMAS和TUS過程。靜磁鐵的表面磁感應強度通過高斯計測試獲得。此外，為了確定實驗中的聲學參數，設置了聲場檢測裝置。針式水聽器用于檢測待刺激靶區的聲信號，該聲信號經可變增益放大器由數字示波器顯示。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激勵信號關系

實驗結果：

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對運動皮層神經的調控效果。結果表明：相對于TUS，TMAS可以在更低的超聲強度下誘發小鼠的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，運動反饋也更加穩定。該結果反映出TMAS較TUS具有更有效的小鼠腦皮層運動區調控能力，其原因是TMAS結合了耦合電場與聲場的復合刺激，同步的聲場與電場形成了協同調控。

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作用下能夠誘發運動反饋的最低超聲強Ispta不低于100mW/cm2。但是，本研究結果表明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和空化效應給神經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（3~10s），觀察到小鼠EMG的成功率相對于持續進行磁場刺激時更高，這可能是由于神經元細胞存在一定的磁效應，使得神經元細胞膜導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對神經電活動的影響，下一步還可對小鼠的局部場電位、神經電生理等信號進行分析研究，更深入地探索TMAS對神經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

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