经颅聚焦超声在与经颅电刺激同时施用时可在静息状态人类中诱导源可定位的皮质激活

无需手术的精微调控大脑

想象可以在不打开颅骨的情况下，轻柔地调整大脑中一个非常精确的区域——帮助医生以更少的副作用治疗抑郁、癫痫或运动功能障碍。本研究探讨了两种无创方法——头皮上的弱电流和精确指向的超声波——是否可以结合使用，以在受试者闭眼静息时选择性“唤醒”一小片大脑皮层。该工作有助于解决一个重大争论：聚焦超声是否真正在特定脑区发挥作用，还是其效应主要来自耳朵感受到的声音效应？

两种不同的刺激神经细胞的方式

研究者使用了两种以不同方式影响大脑的工具。经颅直流电刺激（tDCS）通过头皮电极传导非常微弱的恒定电流。单独使用时，它通常不会直接触发神经细胞放电，而是使它们对其他输入的反应概率略有增加或减少。相比之下，经颅聚焦超声（tFUS）将声波透过颅骨聚焦到仅几毫米宽的小区域。动物和人体研究表明，这些压力波可能牵动细胞膜中的微小机械感受器，微妙地改变神经元的激活易感性。核心问题是：tFUS 本身能否可靠地在选定的人类皮层补片中触发活动，还是它的主要效应只是产生可听到的脉冲，从而激活听觉系统？

一种新的组合：电与超声并用

研究团队在 27 名静息的健康志愿者身上开展实验，使用全头 EEG 记录脑活动。他们针对左侧运动皮层（负责右手运动的区域）测试了三种主要条件。一种仅施加 tDCS。另一种仅施加 tFUS，使用不同的脉冲模式以期望兴奋或抑制神经元。第三种称为经颅电声刺激（tEAS），即同时施加 tDCS 与 tFUS，使微弱的电位移动和机械推动同时作用于同一组神经元。他们还使用将超声对准其他脑区的对照设置，以将真实的局部效应与全脑或听觉反应区分开来。

大脑信号揭示的真相

EEG 使科学家不仅能观察表面信号，还能通过数学重建推测这些信号在大脑内部的来源。在检查每次刺激后最初 200 毫秒时，研究者发现单独的 tFUS 在约 30、90 和 170 毫秒处产生清晰、可重复的活动峰值。然而，这些反应在头两侧呈对称分布，追溯回的主要来源是听觉区和更深的结构，而不是被针对的运动皮层。显著的是，无论超声是瞄准运动皮层还是前额叶皮层，都出现了相同类型的反应，进阶统计检验支持这些模式本质上相同。额外的连通性分析显示，超声增强了从初级听觉皮层到深部脑区的信息流，即使脉冲率高到无法被意识听到也会如此。简言之，单独 tFUS 产生的强烈 EEG 信号在形态和行为上更像是听觉驱动的反应，而非局灶性皮质刺激。

当两种轻微推动相加时

当 tDCS 与 tFUS 作为 tEAS 结合使用时，情况发生了变化。在这些试验中，EEG 源成像显示刺激位置正下方的运动皮层区域活动显著增强，且在统计上显著高于大脑对侧相同补片。该局灶性反应在兴奋性和抑制性 tDCS 极性下均可观察到，EEG 信号的极性会随电流方向而翻转。重要的是，在相同静息条件下，单独的 tDCS 或单独的 tFUS 都未产生这种可定位的、可溯源的激活，且在分析中简单把两者的单独效应相加也无法重现 tEAS 的模式。作者还扩展了超声的参数设置——改变脉冲率、占空比，甚至在安全限度内增加脑内压力——仍未发现 tFUS 单独在静息人群中驱动清晰、部位特异的皮质反应的证据。

关于超声如何影响大脑的新视角

为理解这些发现，研究者借助经典的神经元数学模型——Hodgkin–Huxley 模型，并加入代表机械敏感离子通道的通路。模拟显示，亚阈值的机械效应（来自超声）与亚阈值的电位偏移（来自 tDCS）可以叠加并跨过放电阈值，产生完整的动作电位。这与实验观察一致：只有联合的 tEAS 条件产生了局灶且可源定位的皮质激活。作者认为，在人体的安全压力水平下，聚焦超声更可能充当一种亚阈值的协同调制器：它改变神经元响应的准备状态，但通常需要另一个输入——例如 tDCS、感觉刺激或注意力——来驱动强烈的、位置特异性的放电。这一框架有助于解释为何一些研究在将 tFUS 与其他任务或刺激配对时观察到强烈的行为学效应，而在单独使用时则主要看到与听觉相关的活动。

引用: 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

关键词: 经颅聚焦超声, 无创性脑刺激, EEG 源成像, 神经调制, 经颅直流电刺激 (tDCS)