一只猕猴坐在电脑前。屏幕左侧边缘出现一个黄色方块——目标。延迟几毫秒后，右侧出现第二个目标。问题是：猴子会先看哪个目标？到目前为止，神经科学实验还算常规，但下一步却非同寻常。通过非侵入性地将不可听见的声能脉冲导向大脑的特定视觉区域，一组科学家引导了这只动物的反应。如果他们聚焦于大脑的左侧，猴子更频繁地看向右侧。如果他们聚焦于右侧，猴子更频繁地看向左侧。
这项实验的结果于上周在神经科学学会年会上公布，标志着首次安全有效地在非人类灵长类动物身上使用聚焦超声，以改变大脑活动而不是破坏组织。在绵羊身上进行的第二项研究也获得了类似的结果。“这一发现为非侵入性刺激人类特定大脑区域铺平了道路，”斯坦福大学医学院的神经工程师、猕猴研究的主要作者扬·库巴内克说。这项技术最终可能用于诊断或治疗神经系统疾病和障碍，如帕金森病、癫痫、成瘾和抑郁症。其他科学家对此持乐观态度。“能够以非常谨慎设计的剂量，实际传递[聚焦超声]，并在您想要的位置刺激大脑，调节回路而不是破坏它，这个想法是一个非常重要的原理验证，”埃默里大学医学院的医学博士海伦·梅伯格说，她没有参与这项研究。
超声波长期以来一直用于成像。当高于人类听觉水平（超过 20,000 赫兹）的声波对准身体时，部分能量会反弹回来，形成身体内部结构的图像。聚焦超声（FUS）提高了能量水平以实现其他目的。就像使用放大镜将光束聚焦在一个点上并燃烧树叶一样，FUS 将多达 1,000 个声波集中在一个特定的目标上，具有精确性和准确性。
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聚焦超声于 2004 年首次获得美国食品药品监督管理局批准，作为子宫肌瘤的治疗方法，其潜在用途日益广泛，引起了许多医生的兴奋。“聚焦超声影响组织的机制有 18 种。这一事实为治疗各种医学疾病创造了机会，”弗吉尼亚大学前神经外科联合主任、聚焦超声基金会创始人兼主席尼尔·卡塞尔医学博士说，该基金会致力于加速该技术的开发和应用。
十年前，FUS 正被研究作为三种疾病或障碍的治疗方法。今天，这个数字超过了 90。然而，到目前为止，它仅在人类身上用于靶向和用热量破坏组织。除了子宫肌瘤外，它还在美国获准用于其他四种治疗用途。前列腺癌于 2015 年被添加到列表中，尽管一些泌尿科医生对其使用持不温不火的态度，并在 2016 年的《美国医学会杂志》上强调，其长期疗效尚未得到证实。在大脑中，FDA 于 2016 年批准将其用作原发性震颤的消融治疗（去除组织）。（在欧洲，它的使用更为广泛。）
马里兰大学医学院神经外科教授兼主任霍华德·艾森伯格参与了 FUS 作为原发性震颤和帕金森病消融治疗的临床研究，针对每种疾病的不同大脑区域。他发现患者喜欢这项技术，因为它比深部脑刺激的侵入性更小，深部脑刺激需要手术植入电极。“这实际上不是手术，”艾森伯格说。此外，由于 FUS 非常精确，艾森伯格说，“您可以雕刻病灶，您可以制作三个彼此靠近的消融灶。”
相对而言，神经调节，即改变大脑回路中的电信号和化学信号，需要较低剂量的能量，以间歇脉冲的形式传递，并且在 FUS 在大脑中可能用途的列表中相对靠后。“这是一种前沿方法，”艾森伯格说，他对使用 FUS 打开血脑屏障进行药物输送更感兴趣。但如果该技术能够完善为大脑刺激方法，它将开辟一系列新的可能性。它可以比经颅磁刺激（TMS）更精确地瞄准——精确到毫米而不是厘米的量级。而且它可以深入大脑。“我认为第一个机会是在诊断方面，”库巴内克说。“不同患者的疾病回路可能不同。如果我们能够特异性地刺激大脑深处的区域，并测量震颤的减少，那将[告诉我们该区域]参与了这种行为。”下一步是将聚焦超声应用于各种精神健康和神经退行性疾病（如阿尔茨海默病）的大脑刺激方法。
与库巴内克一样，哈佛医学院放射学教授、布莱根妇女医院神经调节实验室主任承施克·柳在神经科学学会会议上展示了使用 FUS 成功进行大脑刺激。在绵羊身上，柳和他的同事表明，FUS 既可以兴奋也可以抑制大脑活动，而没有明显的伤害。但柳的主要目标是开发一种可穿戴的经颅 FUS 系统。他的团队创造了一种小型装置，重量仅为四分之一磅，可以由绵羊佩戴，绵羊的颅骨结构与人类相似。该系统包括一个聚焦超声换能器，用于产生信号，一个光学跟踪器和一个施加器，用于通过植入的基座将换能器固定在头部上方。（在人类身上，他们计划消除植入的需要。）该小组还开发了一种计算机算法，能够预测声学焦点的强度和位置，柳将声学焦点比作一块大奥尔佐意大利面大小的区域。
“这些工具本身确实正在改变可能性的面貌，”梅伯格说。“如果我们能够用超声波调整[大脑回路]，而无需打开大脑，那岂不是很棒吗？”她说。这将避免手术和定期更换电池的需要。“您可以像绵羊一样佩戴设备，”她补充道。“我们可以开始梦想一些基于精湛神经科学的创新。”