Транскраниальная фокусированная ультразвуковая стимуляция вызывает локализуемую по источнику корковую активацию у отдыхающих людей при одновременном применении транскраниальной электрической стимуляции

Тонкая настройка мозга без операции

Представьте, что можно аккуратно подтолкнуть очень точечную область мозга, не вскрывая череп — помогая врачам лечить депрессию, эпилепсию или двигательные расстройства с меньшим количеством побочных эффектов. В этом исследовании проверяли, можно ли сочетать два неинвазивных метода — слабые электрические токи на коже головы и тщательно направленные ультразвуковые волны — чтобы выборочно «пробудить» небольшой участок коры у человека, который просто отдыхает с закрытыми глазами. Работа помогает разрешить важный спор: действительно ли фокусированный ультразвук воздействует на конкретные участки мозга, или его эффекты в основном связаны с восприятием звука в ушах?

Два разных способа подтолкнуть нервные клетки

Исследователи использовали два инструмента, которые влияют на мозг по-разному. Транскраниальная стимуляция постоянным током (tDCS) пропускает очень слабый постоянный электрический ток между электродами на коже головы. Сама по себе она обычно не вызывает спайка нейронов; скорее делает их чуть более или менее склонными откликаться на другие входы. Транскраниальная фокусированная ультразвуковая стимуляция (tFUS), напротив, посылает звуковые волны через череп, которые можно сфокусировать на небольших областях размером всего в несколько миллиметров. Исследования на животных и людях предполагали, что эти волны давления могут воздействовать на крошечные механочувствительные элементы в мембранах клеток, тонко меняя их возбудимость. Центральный вопрос заключался в том, может ли tFUS сама по себе надежно вызывать активность в выбранном участке коры у человека, или же её главный эффект — это создание слышимого пульса, который активирует систему слуха.

Новое сочетание: электричество плюс ультразвук

Команда изучила 27 здоровых добровольцев в состоянии покоя, регистрируя их мозговую активность при помощи многоэлектродной электроэнцефалографии (ЭЭГ). Они протестировали три основных условия, нацеленных на левую моторную кору — область, которая помогает управлять движением правой руки. В одном условии применяли только tDCS. В другом — только tFUS с разными схемами импульсов, направленными на возбуждение или подавление нейронов. В третьем, названном транскраниальной электро-акустической стимуляцией (tEAS), одновременно подавали tDCS и tFUS, так что слабое электрическое сдвигающее воздействие и механический толчок достигали одной и той же группы нейронов. Также использовали контрольные настройки, прицеленные ультразвуком в другую область мозга, чтобы отделить истинные локальные эффекты от общей мозговой или слуховой реакции.

Что показали мозговые сигналы

ЭЭГ позволила ученым смотреть не только на поверхностные сигналы, но и математически реконструировать, откуда внутри мозга эти сигналы, вероятно, исходили. При анализе первых 200 миллисекунд после каждого стимула выяснилось, что tFUS сама по себе вызывала четкие, повторяемые пики активности примерно на 30, 90 и 170 миллисекундах. Однако эти ответы были симметрично распределены по обеим сторонам головы и источались в основном из слуховых областей и глубоких структур — а не из целевой моторной коры. Поразительно, что такой же тип ответа появлялся как при нацеливании ультразвука на моторную кору, так и при нацеливании на префронтальную кору, и продвинутые статистические тесты показали, что эти паттерны по сути одинаковы. Дополнительный анализ связности показал, что ультразвук увеличивал поток информации от первичной слуховой коры в глубокие структуры мозга, даже когда частота импульсов была слишком высока, чтобы их можно было осознанно услышать. Короче говоря, сильные ЭЭГ-сигналы от tFUS в одиночку выглядели и вели себя как ответы, вызванные слуховой системой, а не как фокальная корковая стимуляция.

Когда два нежных толчка складываются

Картина изменилась, когда tDCS и tFUS комбинировали в tEAS. В этих испытаниях источниковое изображение ЭЭГ показало устойчивое и статистически значимое усиление активности в области моторной коры непосредственно под местом стимуляции по сравнению с той же областью на противоположной стороне мозга. Эта фокусированная реакция появлялась при обеих полярностях tDCS — возбуждающей и тормозящей — причём знак ЭЭГ-сигнала менялся в зависимости от ориентации тока. Важно, что ни tDCS сама по себе, ни tFUS сама по себе не вызывали такой локализованной, разрешимой по источнику активации в тех же условиях покоя, и простое суммирование их отдельных эффектов в анализе не воспроизводило паттерн tEAS. Авторы также расширяли параметры ультразвука — меняли частоту импульсов, рабочий цикл и даже увеличивали давление в мозге в пределах безопасных лимитов — и всё равно не обнаружили доказательств того, что tFUS сама по себе вызывает ясную, локально-специфичную корковую реакцию у отдыхающих людей.

Новый взгляд на то, как ультразвук формирует активность мозга

Чтобы осмыслить эти результаты, исследователи обратились к классической математической модели нервной клетки — модели Ходжкина–Хаксли — и ввели в неё путь, представляющий механочувствительные ионные каналы. Симуляции показали, что субпороговый механический эффект (от ультразвука) и субпороговый электрический сдвиг (от tDCS) могут в сумме преодолеть порог спайка и породить полноценные потенциалы действия. Это согласуется с экспериментальным наблюдением, что только комбинированное условие tEAS вызывало фокальную, локализуемую по источнику корковую активацию. Авторы утверждают, что у людей при безопасных уровнях давления фокусированный ультразвук скорее всего действует как субпороговый со-модулятор: он меняет готовность нейронов откликаться, но обычно нуждается в дополнительном входе — таком как tDCS, сенсорная стимуляция или внимание — чтобы вызвать сильное, локально-специфичное разряды. Эта концепция помогает примирить, почему в некоторых исследованиях tFUS дает мощные поведенческие эффекты при сочетании с другими задачами или стимулами, тогда как в других при использовании в одиночку наблюдается преимущественно слухово-обусловленная активность.

Цитирование: Kosnoff, J., Gonsisko, C., Yu, K. et al. Transcranial focused ultrasound induces source localizable cortical activation in resting state humans when applied concurrently with transcranial electric stimulation. Nat Commun 17, 2023 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69853-8

Ключевые слова: транскраниальная фокусированная ультразвуковая стимуляция, неинвазивная стимуляция мозга, ЭЭГ-источниковое изображение, ньюромодуляция, тДCS