声机械纳米结构实现持续精确的超声脑刺激

用温和的声音“倾听”大脑

像帕金森病这样的脑部疾病通常通过深部脑刺激治疗，这需要外科植入电极。这项研究探讨了一种截然不同的思路：利用温和的超声波，并借助微小的工程化颗粒，引导对特定脑细胞进行推动，而无需手术或基因改造。对普通读者而言，这一方法的吸引力很明显——如果能在人体中做到安全且精确，它可能为治疗运动障碍并长期研究大脑功能提供一种更少侵入性的途径。

为声波打造的微型回声室

研究人员设计了空心二氧化硅纳米结构——本质上是充有气体的显微壳体——它们像微型回声室一样对超声产生强烈响应。坚硬的二氧化硅壁和气体内核使其在声波作用下剧烈振动，将机械能量集中到表面。团队用生物相容性聚合物和铁对这些壳体进行包覆，有助于它们在脑内保持稳定、在液体中良好分散，并可通过磁共振与超声成像追踪。实验室测试证实这些颗粒尺寸均匀（约五分之一微米宽）、在反复超声下稳定且对培养的神经元无毒性。

把声音转化为神经活动

为了观察这些空心颗粒是否能帮助控制脑细胞，团队首先在培养皿中的神经元上进行实验。当他们加入纳米结构并施加低强度超声时，钙大量涌入神经元——这是细胞放电的明确信号。这一效应依赖于空心结构：固体二氧化硅颗粒不起作用。它还依赖于细胞膜上的特殊“机械敏感”通道，这些通道在膜受压或拉伸时打开。当研究者用药物阻断这些通道时，声波加纳米结构引发的效应大部分消失，洗去药物后效应又恢复。简言之，这些颗粒充当放大器，将温和的超声转化为足以打开这些通道并激活神经元的机械推动。

在小鼠体内实现精确并可持续的脑刺激

下一步是在活体小鼠大脑中测试该方法。通过将纳米结构注入选定区域，然后通过颅骨施加超声，研究人员在刺激运动皮层时可触发肌肉抽动，并且仅在填充纳米结构的纹状体深部区域观察到活动标志物的增加。调节注入材料的量可以控制被激活区域的大小，而无需改变超声波长。成像显示这些颗粒在脑内保持完整并能正常工作超过两个月，提供强烈的超声对比，并在被慢慢清除时逐渐减弱。在此期间，可精确时序地反复开启腹侧被盖区的神经活动，且激活模式与颗粒的沉积位置相匹配，而不是声波可能散射到的位置。

缓解类帕金森小鼠的运动问题

为测试治疗潜力，研究团队转向帕金森病小鼠模型——在这些模型中，由于中脑黑质的多巴胺能神经元退化，运动变得僵硬且迟缓。他们将空心纳米结构注入一个连接的中继区称为亚丘脑核，并在九周内多次进行超声刺激。在同时接受颗粒和超声治疗的帕金森小鼠中，转杆测试的运动协调性和开放场中的整体运动量稳步改善，并在停止刺激后仍然维持较好状态。来自纹状体的记录显示，多巴胺释放在超声开启时出现喷发，但仅在存在纳米结构的小鼠中才有此现象。脑组织分析显示，接受治疗的小鼠中存活的多巴胺能神经元比仅接受超声而无颗粒的动物更多，另一个更慢性疾病模型也显示出类似的行为学益处。

安全性、局限与未来可能性

研究者对小鼠的副作用进行了仔细监测。在大约三个月期间，单独接种纳米结构或纳米结构加超声的动物，其体重、基本运动、记忆与认知保持正常。脑切片未见明显的细胞死亡或炎症增加，成像显示免疫细胞随时间慢慢清除这些颗粒。尽管仍需更多工作来理解长期安全性、改进材料并将此方法适配于更大脑体积，但这项研究展示了一个有前景的概念：通过一次植入长寿命、对声音敏感的纳米结构，然后从颅外非侵入性地刺激它们，或许可以在无需导线、光纤或基因工程的情况下，精确且长期地控制深部脑回路。

引用: Hou, X., Jing, J., Shi, Z. et al. Sono-mechanical nanostructures-enabled sustained precise ultrasound brain stimulation. Nat Commun 17, 3060 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69710-8

关键词: 超声脑刺激, 纳米颗粒, 帕金森病, 神经调控, 机械敏感离子通道