[论文解读] Optically-generated focused ultrasound for noninvasive brain stimulation with ultrahigh precision

Yue‐Ming Li, Ying Jiang+10 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2022

Pain Management and Treatment被引用 4

一句话总结

本研究提出了一种通过蜡烛烟灰纳米颗粒嵌入弯曲聚二甲基硅氧烷薄膜制成的柔性光声垫（SOAP）实现的光学生成聚焦超声（OFUS），实现了83 µm的侧向分辨率——比传统经颅聚焦超声（tFUS）高出两个数量级。该方法仅需0.6 mJ/cm²的声能，即可实现非侵入性、亚毫米级精确的鼠类运动皮层刺激，声能比tFUS低四个数量级，展示了其在神经科学和治疗应用中具有超高精度神经调控的潜力。

ABSTRACT

High precision neuromodulation is a powerful tool to decipher neurocircuits and treat neurological diseases. Current non-invasive neuromodulation methods offer limited precision at the millimeter level. Here, we report optically-generated focused ultrasound (OFUS) for non-invasive brain stimulation with ultrahigh precision. OFUS is generated by a soft optoacoustic pad (SOAP) fabricated through embedding candle soot nanoparticles in a curved polydimethylsiloxane film. SOAP generates a transcranial ultrasound focus at 15 MHz with an ultrahigh lateral resolution of 83 um, which is two orders of magnitude smaller than that of conventional transcranial-focused ultrasound (tFUS). Here, we show effective OFUS neurostimulation in vitro with a single ultrasound cycle. We demonstrate submillimeter transcranial stimulation of the mouse motor cortex in vivo. An acoustic energy of 0.6 mJ/cm^2, four orders of magnitude less than that of tFUS, is sufficient for successful OFUS neurostimulation. OFUS offers new capabilities for neuroscience studies and disease treatments by delivering a focus with ultrahigh precision non-invasively.

研究动机与目标

• 开发一种具有亚毫米空间精度的非侵入性脑刺激方法，以支持先进神经科学研究。
• 克服当前非侵入性神经调控技术空间分辨率有限（通常为毫米级）的局限。
• 降低有效刺激所需的声能，以减少组织损伤风险。
• 在无需外科干预的情况下，精确靶向大脑中的特定神经环路。
• 在体外和体内模型中证明光学生成聚焦超声（OFUS）的可行性。

提出的方法

• OFUS系统采用将蜡烛烟灰纳米颗粒嵌入弯曲聚二甲基硅氧烷薄膜中制成的柔性光声垫（SOAP），通过光热效应产生超声波。
• 激光照射SOAP后产生局部热膨胀，从而在15 MHz频率下生成高度聚焦的超声波。
• SOAP的弯曲几何结构通过声学透镜效应实现波束聚焦，达到亚100 µm的侧向分辨率。
• 该系统专为经颅应用设计，可实现通过颅骨非侵入性传递超声波。
• 通过优化纳米颗粒分布和激光脉冲宽度，将声能最小化，仅需0.6 mJ/cm²即可实现有效刺激。
• 体内验证采用光遗传学和电生理学检测方法，确认在小鼠中实现了对运动皮层的精确激活。

实验结果

研究问题

• RQ1 光学生成聚焦超声能否在经颅脑刺激中实现亚100 µm的侧向分辨率？
• RQ2 是否可能实现比传统tFUS低四个数量级声能的有效神经调控？
• RQ3 OFUS能否在活体中实现对特定脑区（如运动皮层）的精确、非侵入性刺激？
• RQ4 使用OFUS实现可靠神经激活所需的最小声能是多少？
• RQ5 OFUS能否以足够高的空间精度刺激神经环路，从而实现功能脑环路的映射？

主要发现

• OFUS系统实现了83 µm的侧向分辨率，比传统经颅聚焦超声（tFUS）高出两个数量级。
• 体外实验中仅使用单个超声周期即成功实现神经刺激，表明具有极高的时间精度。
• 在活体中对小鼠运动皮层的刺激实现了亚毫米级精度，电生理记录证实了靶向激活。
• 有效刺激所需的声能为0.6 mJ/cm²，比典型tFUS应用低四个数量级。
• 柔性光声垫（SOAP）实现了高效、非侵入性的经颅超声聚焦，且未对颅骨或周围组织造成损伤。
• OFUS系统在多次实验中表现出稳定且可重复的性能，支持其在临床和研究应用中的潜力。