大脑皮层神经调控能量场聚焦度量化：TMS与低强度聚焦超声的对比研究

《Neuromodulation: Technology at the Neural Interface》：Quantification of Transcranial Magnetic Stimulation and Low-intensity Focused Ultrasound Energy Field Focality in the Cerebral Cortex

为解决神经调控技术中经颅磁刺激（TMS）与低强度聚焦超声（LIFU）能量场分布特性不明确的问题，研究人员开展了一项量化对比研究。基于个体化头部模型模拟，研究发现LIFU具有更高的聚焦度，但个体间变异更大；而TMS激活范围更广，变异较小。该研究揭示了能量聚焦度与解剖变异性敏感性之间的权衡，为临床方案选择提供了量化依据。

　　

非侵入性神经调控技术，如经颅磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulation, TMS）和低强度聚焦超声（Low-Intensity Focused Ultrasound, LIFU），已成为神经科学与临床应用的关键工具。它们能够便捷地调节大脑活动，无需手术且副作用小。然而，这两种技术使用不同类型（电磁能与声波）的能量，其作用机制和引发的能量场特性截然不同。一个核心的理论与实践差异在于它们的精度和聚焦度。TMS诱发的电场倾向于在较大的皮层表面弥散，刺激多个相邻的脑回和脑沟，其分布受线圈定位、个体头部解剖结构和组织电导特性影响。而LIFU能够以毫米级的空间精度沉积能量，实现对特定皮层或皮层下区域的高精度靶向。但是，超声波与颅骨及周围组织的相互作用会引入显著的变异性，导致个体间潜在的焦点和深度穿透畸变。背外侧前额叶皮层（Dorsolateral Prefrontal Cortex, DLPFC）作为执行网络的一部分，是神经调控中广泛使用的治疗靶点，其解剖亚结构（如中额回和中额沟）对刺激的生物物理反应可能不同。理解TMS和LIFU如何在中额回（_MFGyr）和中额沟（_MFSulc）内分布能量，对于优化刺激范式至关重要，因为既往研究表明脑沟和脑回的参与可能影响功能结果和治疗效果。此前，这两种模态能量分布差异的程度尚未得到全面量化。

这项研究旨在量化比较TMS和LIFU在DLPFC内的能量分布，重点关注它们在不同能量阈值下对_MFGyr和_MFSulc的激活情况。研究论文发表在《Neuromodulation: Technology at the Neural Interface》。

本研究主要运用了以下几项关键技术方法：首先，研究纳入了20名患有抗药性重性抑郁障碍（MDD）的参与者作为样本队列，采集其高分辨率T1和T2加权磁共振成像（MRI）数据。其次，利用simNIBS软件中的CHARM流程为每位受试者构建了个体化头部模型，并基于FreeSurfer软件和Destrieux图谱对大脑皮层进行分区，特别提取了左DLPFC区域的_MFGyr和_MFSulc作为分析目标。接着，研究人员设定了位于左DLPFC的共同标准化靶点坐标，并使用simNIBS软件模拟了TMS诱导的电场，使用BabelBrain软件模拟了250 kHz和500 kHz两种频率LIFU的声场。最后，通过设定30%、50%和70%三个相对峰值能量的阈值，量化了能量分布，并计算了“% Engaged”（区域被激活体积的百分比）和“% Deposited”（总激活组织中位于特定区域的百分比）两个关键指标。

研究结果

被激活组织的总体积

在所有阈值下，三种刺激模态之间存在清晰且一致的差异。统计分析显示模态和阈值均有显著效应。在每个阈值下，TMS激活的组织平均体积比LIFU-250 kHz大十倍以上，比LIFU-500 kHz大百倍以上。变异性也遵循一致的模式：TMS变异系数（CV）最低，LIFU-250 kHz具有中等变异性，而LIFU-500 kHz变异性最大。

区域被激活的百分比

在不同模态和区域之间观察到巨大差异。统计分析显示模态、阈值和区域均有显著效应。在所有阈值下，TMS激活的_MFGyr和_MFSulc百分比最大，LIFU-250 kHz激活的百分比低得多，LIFU-500 kHz激活的百分比最低。同样，TMS在_MFGyr中的变异性最小，而LIFU-500 kHz在_MFSulc中的变异性最大。

沉积到区域的能量百分比

在能量沉积到_MFGyr和_MFSulc方面存在巨大差异。统计分析显示模态、阈值和区域均有显著效应。TMS始终将其激活组织的较大部分沉积在_MFGyr中，而在_MFSulc中沉积的比例很小。LIFU-250 kHz在脑回中沉积的能量比例显著高于LIFU-500 kHz。TMS在_MFGyr中的变异性最低，在_MFSulc中较高。LIFU表现出更大的变异性，特别是在500 kHz频率下的_MFSulc中。

研究结论与讨论

本研究定量揭示了TMS和LIFU能量传递的差异，展现了一种聚焦度与对解剖结构传递敏感性之间的权衡。TMS显示出更弥散的能量传递特性，源于电场通过容积传导的传播及其在脑回冠部的积累。相比之下，LIFU产生了高度聚焦的能量沉积，局限在更小的体积内。通过纳入两种超声频率，研究进一步表明，将基频从500 kHz降低到250 kHz可以显著扩大被激活组织的体积，同时保持高度的聚焦性，使250 kHz在空间扩散和变异性方面介于TMS和500 kHz之间。

能量分布的差异

在50%阈值下，TMS平均激活了15,117 mm³的皮层组织，而LIFU-250 kHz激活了1496 mm³，LIFU-500 kHz仅激活了137 mm³。这些发现强化了以下观点：TMS产生跨越大面积皮层的广泛神经调控；LIFU-500 kHz提供高度聚焦的神经调控；而LIFU-250 kHz则提供了介于两者之间的中等聚焦水平。

脑回和脑沟结构的不同激活

TMS观察到对脑回和脑沟区域更大的激活，在50%阈值下，TMS激活了59%的_MFGyr和29%的_MFSulc，而LIFU-250 kHz仅激活了3%的_MFGyr和8%的_MFSulc，LIFU-500 kHz对任一结构的激活都小于1%。这主要是绝对场尺寸的结果。此外，研究结果显示了两者不同的区域偏好。TMS持续地将其大部分激活组织沉积在_MFGyr中，而在_MFSulc中只占一小部分。相反，LIFU将其能量更均匀地分配在_MFGyr和_MFSulc之间。这些发现有两个关键含义：首先，它们表明即使瞄准相同的DLPFC坐标，TMS和LIFU也靶向了不同的解剖亚区。TMS主要激活脑回冠部，而LIFU在其小焦点区域内将相对较大比例的能量分配给了脑沟组织。其次，它们提示用TMS和LIFU“击中同一靶点”并不一定意味着激活相同的神经元群体。

个体间变异性的不同影响

个体间变异性在决定非侵入性脑刺激技术的有效性和可靠性方面起着关键作用，TMS和LIFU表现出不同的变异性模式。在不同的指标中，TMS显示出相对较低的变异系数，表明其诱导的场在个体间具有一致性。相比之下，LIFU表现出显著更高的变异性，尤其是在_MFSulc和500 kHz频率下。LIFU-250 kHz倾向于表现出中等变异性：高于TMS但低于LIFU-500 kHz。这种高变异性不应被解释为脑沟解剖结构“移动”或“引导”了波束。相反，脑沟-脑回的变异性应被视为决定固定波束轨迹将与哪些皮层组织相交的一个因素。如图6所示，同一波束可能主要靶向一个受试者的脑回冠部、另一个受试者的侧壁或第三个受试者的脑沟底，这取决于靶点周围特定的皮层折叠模式。相比之下，TMS更宽的电场覆盖了更大的皮层区域，使得靶点激活受皮层折叠的适度变化影响较小。这些观察结果强化了在LIFU应用中需要个体化靶向策略的必要性。

能量场依赖性差异

TMS和LIFU可能通过神经元暴露于能量但不立即导致神经元放电的机制来影响神经活动。这些考虑强调了评估“被激活”组织的总体积的重要性，而不仅仅是依赖于激活阈值。

对临床和研究应用的意义

本研究的结果对于根据刺激目标和解剖学考虑选择神经调控技术和参数具有重要意义。对于需要广泛皮层参与的应用，例如传统的左DLPFC TMS治疗抑郁症，TMS诱导场的广泛且相对稳健的分布可能是有利的。同样，更大的刺激覆盖范围和更低的变异性降低了错过目标区域的风险。对于需要更高空间精度的应用，例如靶向DLPFC的特定功能亚区或刺激深部皮层结构，LIFU可能提供显著优势。我们的频率比较表明，对于浅表皮层靶点，250 kHz的LIFU可能在聚焦度、覆盖范围和变异性之间提供了一个实用的折衷方案。

局限性与未来方向

尽管本研究定量比较了TMS和LIFU的能量分布，但仍有几个局限性需要考虑。首先，研究结果基于计算模拟，未来研究应纳入经验验证方法。其次，研究集中于DLPFC这一单一标准化刺激位点，未来研究应探讨其他常见靶向脑区的趋势是否一致。第三，替代性超声设备可能能够提供更大的皮层覆盖或不同的空间分布，因此，这里观察到的有限覆盖不应被解释为LIFU作为一种模态的根本限制。

结论

本研究定量比较了靶向DLPFC时，TMS和两种基频LIFU在能量分布、聚焦度和皮层激活方面的差异。通过利用基于MRI的计算建模，我们量化了每种模态产生的被激活组织的体积和分布，重点关注它们对脑回和脑沟结构的不同激活。我们的结果揭示了TMS和LIFU在空间精度、总皮层激活和个体间变异性方面的根本差异，突显了其对非侵入性神经调控临床和研究应用的重要意义。