《Nature Communications》：Rapid modulation of choice behavior by ultrasound on the human frontal eye fields
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本研究旨在解决神经科学中建立具有时空精度的脑-功能因果关系的核心挑战。研究者针对额眼动区（FEF），开发了时间精确的经颅超声刺激（TUS）方案，以探究其对眼跳行为的调控。研究发现，超声刺激能诱导显著的兴奋性行为效应，且个体基线GABA能抑制性张力可预测反应强度。该成果确立了超声刺激作为时序性环路研究的可靠工具，并强调了神经生理状态在神经调控中的重要性。
在探索大脑如何工作的科学征途中，一个根本性的难题横亘在研究者面前：如何精确地建立大脑特定区域与其功能之间的因果关系，并且这种精确度要同时体现在空间（位置）和时间（顺序）两个维度上。传统的研究方法，如功能磁共振成像，能告诉我们某个脑区在特定任务中是否活跃，但这只是相关关系，而非因果。想要“操控”大脑活动以验证其功能，在人类研究中往往依赖于侵入性的深度脑刺激或经颅磁刺激等技术，前者创伤大，后者则难以无创地深入大脑深部。因此，神经科学亟需一种能够兼顾非侵入性、高空间分辨率和时间精度的“因果探针”。
近期，经颅超声刺激作为一种新兴技术，以其独特的优势进入了科学家的视野。它能将超声波能量无创地聚焦于大脑深部特定靶点，实现毫米级的空间精度。然而，这项技术在人类应用中的时间精确效应及其背后的神经生理学基础，此前仍未得到充分的实证。这正是本文研究者所致力于回答的核心问题。
为了攻克这一难题，研究团队将目光投向了大脑中一个功能明确、研究透彻的“模型回路”——额眼动区。额眼动区是控制快速眼球运动（即眼跳）的关键脑区，其功能与神经活动模式已被广泛研究，是检验新调控技术的理想“试验田”。研究者开发了一套时间精密的超声刺激方案，直接作用于人类的额眼动区，旨在精确地调控与眼跳相关的选择行为。
这篇发表于《Nature Communications》的研究，通过一系列严谨的实验，成功展示了经颅超声刺激在人类大脑功能因果研究中的强大潜力。研究人员发现，施加于额眼动区的超声刺激，能够可靠地诱导出行为上的兴奋效应，具体表现为对特定方向眼跳选择的促进。更关键的是，研究揭示了这种效应的个体差异性并非随机，而是与每个人大脑内在的“背景抑制水平”密切相关。具体而言，个体在静息状态下额眼动区内的GABA能（一种主要的抑制性神经递质）抑制性张力（可以理解为抑制性活动的基线水平），能够显著预测其对超声刺激的行为反应强度：基线抑制水平越低（即抑制性张力小），超声刺激引起的兴奋效应就越强。这一发现将神经调控的效果与底层的神经化学状态直接联系起来，强调了考虑个体神经生理状态对于实现精准、有效神经调控的极端重要性。
本研究主要采用了以下关键技术方法：
- 1.
经颅超声刺激：开发并应用了针对人类额眼动区的高精度时间控制超声刺激方案。
- 2.
行为学任务：使用眼跳选择任务（基于视觉线索的方向选择）来量化超声刺激对行为的影响。
- 3.
磁共振波谱：用于无创测量额眼动区内GABA的浓度，以此作为个体GABA能抑制性张力的生物标志物。
- 4.
眼球追踪技术：精确记录和分析受试者在任务中的眼动轨迹和反应时间。
- 5.
心理物理学与计算建模：结合行为数据和计算模型，定量分析刺激效应及其与神经生理指标的关系。研究涉及健康成人受试者队列。
研究结果
超声刺激诱导可靠的行为效应
研究人员发现，在眼跳任务的关键时间窗口施加靶向额眼动区的超声刺激，能够显著改变受试者的行为选择。具体表现为，刺激促进了朝向与受刺激脑区对侧视野的眼跳反应。这一效应在不同的实验范式和参数下均保持稳定，证明了经颅超声刺激在调控特定认知-运动行为上的有效性和可靠性。
基线GABA水平预测行为反应
研究的核心发现在于揭示了神经化学状态对调控效果的调节作用。通过磁共振波谱测量额眼动区的GABA浓度，研究者发现，个体在静息状态下的GABA水平与其对超声刺激的行为反应幅度存在显著的负相关关系。即，额眼动区GABA浓度越低的个体，其眼跳行为受超声刺激的促进效应越强；反之，GABA浓度高的个体，刺激效应则较弱。这表明，大脑局部抑制性网络的基线状态，是决定外源性神经调控效果的关键内在因素。
讨论与结论
本研究首次在人类身上系统性地证明了，经颅超声刺激能够以时间精确的方式，无创地调制大脑深部特定环路的功能，并产生可预测的行为输出。这不仅将经颅超声刺激确立为一种强大的“时序性环路研究工具”，能够像精密的手术刀一样，在毫秒级时间尺度上干预并解析神经环路的因果关系，更重要的是，它揭示了神经调控效果的“个体化密码”。
研究结论强调了“神经生理状态”在一切神经调控干预中的核心地位。仅仅知道刺激哪个脑区（空间精度）和在何时刺激（时间精度）并不足够，目标脑区在接受刺激时的内在化学微环境（如GABA能抑制性张力），从根本上决定了干预的最终效果。这一发现具有深远的理论和应用意义。在理论上，它搭建了连接人类研究与动物研究（在动物中可直接记录和操控神经递质）的桥梁，为在整体行为水平上理解分子与环路机制的交互提供了新范式。在应用上，它为未来发展个体化、精准化的神经调控疗法（如用于治疗运动障碍、精神疾病等）提供了关键的生物学依据。未来，在实施神经调控前评估个体的特定脑区神经化学状态，或许将成为优化治疗方案、预测疗效的必经步骤。
综上所述，这项工作不仅推动了经颅超声刺激技术本身在神经科学和临床领域的应用，更从根本上提升了我们对“脑功能调控”本身的理解：有效的调控，必然是空间、时间与状态三者精妙协同的艺术。
