超聲刺激對神經(jīng)遞質(zhì)的調(diào)節(jié)作用

劉亮，隨力，吳拾瑤，楊蘭

上海理工大學醫(yī)療器械與食品學院，上海200093

前言

超聲波是頻率高于20 kHz 的聲波，在生物醫(yī)學領域有著廣泛的應用，如超聲成像、多普勒成像、碎石術等。超聲具有波長短、方向性好、穿透能力強的性質(zhì)［1］，可以作為一種刺激手段應用于神經(jīng)網(wǎng)絡，例如腦刺激技術等［2］。超聲可以非侵入性跨過顱骨在腦內(nèi)聚焦，進行神經(jīng)調(diào)控，目前的研究表明超聲神經(jīng)調(diào)控的機制有多種，如機械效應、空化效應等［3］，但超聲神經(jīng)調(diào)控的確切機制尚未完全闡明。

神經(jīng)遞質(zhì)是神經(jīng)元之間或神經(jīng)元與效應器細胞如肌肉細胞、腺體細胞等之間傳遞信息的化學物質(zhì)，在神經(jīng)元信息傳遞的各個方面均起到重要作用。近年來，超聲刺激（Ultrasound Stimulation, US）作用于神經(jīng)系統(tǒng)對神經(jīng)活動進行調(diào)節(jié)的神經(jīng)調(diào)控功能引起了關注，但US的神經(jīng)調(diào)控機制尚未完全闡明。US的神經(jīng)調(diào)控功能和US 調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)有密切的關系，本文歸納總結了US對神經(jīng)遞質(zhì)的調(diào)節(jié)作用。

1 US調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)的實驗研究

神經(jīng)遞質(zhì)有很多種，大致分為4 類，分別為生物原胺類、氨基酸類、肽類和其他類。其中生物原胺類神經(jīng)遞質(zhì)包括多巴胺（Dopamine,DA）、五羥色胺（Serotonin,5-HT）、腎上腺素（Adrenaline,A）和去甲腎上腺素（Noradrenaline, NE）等。氨基酸類神經(jīng)遞質(zhì)包括谷氨酸（Glutamate, Glu）、γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid,GABA）、組胺和乙酰膽堿（Acetylcholine,Ach）等。現(xiàn)有的研究表明US 對生物原胺類和部分氨基酸類神經(jīng)遞質(zhì)的水平具有調(diào)節(jié)作用（表1）。從表1可以看出，超聲神經(jīng)調(diào)控與超聲頻率和強度的大小密切相關，超聲強度是指單位時間內(nèi)垂直于傳播方向通過單位面積的聲能量，可以用空間峰值平均脈沖聲強（Spatial Peak-Pulse Average Intensity,ISPPA）、空間峰值平均時間聲強（Spatial Peak-Temporal Average Intensity, ISPTA）、空間峰值時間峰值聲強（Spatial Peak-Temporal Peak Intensity, ISPTP）、空間平均時間平均聲強（Spatial Average-Temporal Average Intensity,ISATA）［3］來表示。ISPPA為單個脈沖的平均超聲強度；ISPTA是整個時間內(nèi)的平均超聲強度；ISPTP是時間峰值聲強的最大值；ISATA是時間的平均聲強與聲束斷面面積比值的平均值。

表1 超聲刺激對神經(jīng)遞質(zhì)調(diào)節(jié)的實驗研究總結Tab.1 Experimental summary of the regulation of neurotransmitters by ultrasound stimulation

US 可以改變神經(jīng)遞質(zhì)的含量，有研究進一步表明神經(jīng)遞質(zhì)的變化幅度和時程與US 施加的時間有密切的關系。Min 等［5］和Yang 等［11］的研究進一步 顯示在施加超聲20 min 之后，額葉細胞外DA、5-HT 和GABA 的水平變化可持續(xù)2 h，而Glu 濃度幾乎沒有變化，如表2所示。

表2 神經(jīng)遞質(zhì)的變化和超聲刺激時間的關系Tab.2 The relationship between neurotransmitter changes and duration of ultrasound stimulation

研究表明，US 還可影響后代神經(jīng)遞質(zhì)的含量，US 能夠增加小鼠胎兒腦組織中的Ach、乙酰膽堿酯酶和GABA［12］。最近的研究顯示，低強度低頻超聲可以通過激活星形細胞的TRPA1 通道，打開鈣離子通道而促進Glu的釋放［13］。

2 US調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)的作用機制

神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)信息傳導的關鍵部位是釋放神經(jīng)遞質(zhì)的化學突觸，包括突觸前膜、突觸間隙和突觸后膜。突觸前膜有密集的突觸小泡，其中含有高水平的神經(jīng)遞質(zhì)。當神經(jīng)沖動沿軸突傳遞到突觸前膜時，小泡移動到突觸前膜并與其融合，神經(jīng)遞質(zhì)被釋放到突觸間隙，和突觸后膜上的受體作用，改變了受體蛋白或離子通道的構型，引起電位變化而使突觸后神經(jīng)元或效應細胞的活性受到影響［14］。US可以介導調(diào)制效應，當突觸傳遞受阻后，US對神經(jīng)元活動的誘導作用不再明顯，表明US 需要通過突觸傳遞諸如神經(jīng)遞質(zhì)等物質(zhì)激活神經(jīng)節(jié)細胞。

目前US 調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)的機制尚不完全清楚，現(xiàn)有的研究結果表明US 對神經(jīng)遞質(zhì)的調(diào)節(jié)涉及神經(jīng)遞質(zhì)突觸傳遞的各個過程（圖1）。US 調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)的機制可能和以下因素有關：①調(diào)控電壓門控離子通道的活性，影響神經(jīng)元的興奮性。Tyler 等［15］用低強度聚焦US小鼠海馬區(qū)，使細胞內(nèi)Na+和Ca2+濃度升高，從而誘導神經(jīng)元活性變化。Tufail 等［16］認為以脈沖方式施加聚焦超聲可以調(diào)節(jié)離子通道的活性，表明US 可通過激活電壓門控離子通道來提高神經(jīng)元的電活動［17］。Khraiche 等［18］的研究也得出了相同的結果。②調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)的釋放。Lin 等［19］的研究表明低強度脈沖US 可增強神經(jīng)營養(yǎng)因子的蛋白表達，觸發(fā)胞吐作用調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)的釋放和突觸傳遞［20］，并且核磁共振引導的超聲能夠促進氣體類神經(jīng)遞質(zhì)如一氧化氮的釋放［21］。③促進神經(jīng)遞質(zhì)的吸收或去除。US 可以調(diào)節(jié)離子通道的活性，而Na-偶聯(lián)的GABA 受體可以促進GABA 的吸收或去除［22］，從而使神經(jīng)遞質(zhì)的局部濃度發(fā)生變化。④改變受體的表達。Pavlov 等［23］對小鼠海馬區(qū)施加低頻US，結果顯示某些神經(jīng)遞質(zhì)受體的表達發(fā)生變化，改變了神經(jīng)遞質(zhì)的基因，從而影響神經(jīng)活動。

圖1 超聲刺激對神經(jīng)遞質(zhì)調(diào)控的模式圖Fig.1 Diagram of ultrasound stimulation regulating neurotransmitters

3 US調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)的特點

US 和其他一些神經(jīng)調(diào)控技術，如經(jīng)顱磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulate,TMS）、深部腦刺激（Deep Brain Stimulate, DBS）和經(jīng)顱直流電刺激（Transcranial Direct-Current Stimulate, tDCS）都具有調(diào)控神經(jīng)遞質(zhì)的功能。

TMS 是在顱骨上施加強磁場，使大腦皮層表面產(chǎn)生感應電流。Keck 等［24］使用TMS 刺激腦額葉，發(fā)現(xiàn)紋狀體細胞外DA 濃度明顯升高，表明TMS 具有無創(chuàng)調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)的能力［25］。但是，磁刺激的感應特性會產(chǎn)生高度擴散的磁場，有嚴重的副作用［26］，并且精確刺激深部皮層結構的能力有限［27］。DBS 是在腦內(nèi)特定區(qū)域植入電極，利用高頻電流刺激大腦神經(jīng)核團。Lee等［28］在丘腦底核中植入電極進行DBS，引起了Glu 的釋放，從而改變了神經(jīng)元動作電位。Van Dijk等［29］對伏隔核進行DBS，增加了前額皮質(zhì)的DA、5-HT 和NE 釋放，表明DBS 能夠調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)的水平。但是，DBS 伴隨侵入式操作，可能會增加感染的危險或出現(xiàn)并發(fā)癥［30］。tDCS是一種通過頭顱表面的導電貼板將微弱恒定電流傳遞到腦內(nèi)的技術［31］，研究表明興奮性（陽極）tDCS 導致局部GABA降低，而抑制性（陰極）tDCS 則導致谷氨酸能神經(jīng)元活性降低［32］，表明tDCS 能對神經(jīng)遞質(zhì)的水平進行調(diào)節(jié)。但是，其作用深度淺，空間分辨率較低。

TMS、DBS、tDCS和US特性的比較見表3。綜上，US在調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)方面具有安全無創(chuàng)、靶點控制準確、方向性強、穿透深度大以及可圖像引導等特點。

表3 幾種神經(jīng)調(diào)控技術的比較Tab.3 Comparison of several neuromodulation techniques

4 US調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)的潛在臨床應用

臨床上的一些神經(jīng)和精神性疾病與神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的神經(jīng)遞質(zhì)異常有著密切的關系，US 具有無創(chuàng)調(diào)控神經(jīng)遞質(zhì)的功能，因此US 成為治療或輔助治療一些神經(jīng)和精神性疾病的潛在方法。

帕金森病（Parkinson's Disease, PD）是一種常見的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，主要病變是黑質(zhì)內(nèi)多巴胺能使神經(jīng)元凋亡，導致腦內(nèi)DA 水平下降。Magara等［33］和Sperling 等［34］使 用 磁 共 振 引 導 聚 焦 超 聲（Magnetic Resonance-guided Focused Ultrasound,MRgFUS）和單側聚焦超聲丘腦移植對PD 患者進行治療并在三個月后進行回訪，發(fā)現(xiàn)患者的總體癥狀有所緩解，表明US 可以緩解PD 患者的癥狀。阿爾茲海默癥（Alzheimer's Disease,AD）是一種漸進性發(fā)展的神經(jīng)退行性疾病，其病因和發(fā)病機制尚不清楚，可能與基因突變、β-淀粉樣蛋白代謝異常、神經(jīng)細胞凋亡或者細胞間信息如神經(jīng)遞質(zhì)的傳遞出現(xiàn)問題有關。Lipsman 等［35］對早期AD 患者使用MRgFUS 安全開放了血腦屏障，發(fā)現(xiàn)3個月內(nèi)患者的β-淀粉樣蛋白沒有群組變化，認知水平未下降，表明US 可以延緩AD 病情發(fā)展。重度抑郁癥是一種患病率較高的慢性精神障礙綜合征，可能與精神炎癥損傷、神經(jīng)營養(yǎng)機制紊亂、神經(jīng)遞質(zhì)水平改變或受體基因異常有關［36］。Kim 等［37］通過MRgFUS 對重度抑郁癥患者進行雙側前囊切開術，使他們的抑郁癥狀得到了顯著改善，表明US可以改善重度抑郁癥狀。

綜上所述，US使用非侵入性、可控并精確聚焦的神經(jīng)調(diào)節(jié)對大腦進行探索和治療，是神經(jīng)遞質(zhì)（DA、5-HT、GABA、Glu 等）異常導致的神經(jīng)性疾病緩解和治療的潛在方法。

5 總結和展望

近年來，US 作為神經(jīng)調(diào)控手段的研究引起了關注，本文總結了US 對神經(jīng)遞質(zhì)的調(diào)節(jié)作用，US 作為一種非侵入性、較安全的神經(jīng)調(diào)控技術手段在臨床一些神經(jīng)、精神性疾病的治療中展現(xiàn)出了較大的應用前景。

目前US 對神經(jīng)遞質(zhì)調(diào)節(jié)的研究取得了一些進展，但仍需進一步深入，未來US 調(diào)控神經(jīng)遞質(zhì)的研究可能集中于以下幾個方面：①實驗研究方面：探索US對更多種類神經(jīng)遞質(zhì)的調(diào)節(jié)作用，考慮US對多種動物模型不同腦區(qū)的研究。②實驗儀器方面：開發(fā)更為精確可控、方便調(diào)節(jié)參數(shù)并可設置多組刺激參數(shù)的US儀器，實現(xiàn)對神經(jīng)系統(tǒng)的精確聚焦。③US參數(shù)進行選擇及優(yōu)化：探索不同刺激參數(shù)對神經(jīng)遞質(zhì)的效果，設置多種刺激參數(shù)組合研究超聲對神經(jīng)遞質(zhì)影響的刺激閾值。④神經(jīng)遞質(zhì)的檢測方面：優(yōu)化采集和檢測神經(jīng)遞質(zhì)的方法，如電化學檢測法和質(zhì)譜法等。⑤臨床疾病方面：將US 對神經(jīng)遞質(zhì)活性的調(diào)節(jié)應用于人類，緩解和治療如PD、AD、抑郁癥、精神分裂癥、強迫癥、慢性疼痛及精神或活動障礙性神經(jīng)疾病。