通过超声诱导频率混合实现的小鼠在体声电神经记录

在不打开颅骨的情况下“倾听”大脑

诊断和治疗脑部疾病常常需要窃听大脑微弱的电信号。目前，医生必须在模糊大范围脑区的非侵入性方法和需要手术的侵入性植入物之间做出选择。本研究在小鼠中引入了一种借鉴无线电工程和医用超声技术的新方法，暗示未来可能出现无需开颅即可“调谐”深部脑活动的扫描器。

为何现有脑扫描不足以满足需求

常用的大脑活动测量工具各有权衡。脑电图(EEG)通过头皮上的传感器监听大脑电活动，但颅骨会使信号扩散和变弱，因此只有大范围、表层的事件能被清晰看到。脑磁图(MEG)可以更精确地定位活动，但主要限于靠近脑表层的位置。功能性磁共振成像(fMRI)提供三维图像，但并不直接测量电活动，而是追踪较慢的血流变化。上述方法都无法以非侵入方式，从小而深的脑组织区域中，高精度地检测快速、微弱的电变化。

用声波聚焦微小脑区

超声——与产前检查使用的声波相同——可以像聚光灯一样聚焦到体内，包括在校正畸变后穿过颅骨的深部区域。作者利用了一种称为“声电”相互作用的物理效应：当声波穿过携带电信号的含盐组织时，二者会发生混合。本质上，位于超声焦点处的局部脑电信号会叠加在高频的声学“载波”上，就像广播电台的音频叠加在无线电波上一样。这种混合将脑的低频电活动移动到更高的频率处，使得可以用无线电工程中常用的解调技术将其从背景噪声和其他脑信号中分离出来。

在盐水和小鼠大脑中验证该想法

为验证这种混合确实发生且不是记录伪像，团队首先在一盘含盐水中用细小电极和聚焦超声束进行测试。他们证明只有在超声聚焦的位置，围绕载波会出现预期的“和频与差频”分量，这确认了是真正的局部混合而非简单的电干扰。随后他们改进了信号处理，使用特殊的谱窗和窄频带，从超声硬件本身产生的大量伪迹下，分离出极小的混合信号——其幅度与真实脑信号相近。

读取视觉信号和自发活动

接下来，研究者在小鼠的视觉皮层和运动皮层植入细电极。在轻度麻醉下，小鼠观看每秒闪烁8–10次的绿色灯光，这会在视觉区诱发已知的节律性脑反应。与此同时，团队持续施加500 kHz的聚焦超声。他们表明，即便在超声作用下，通常的视觉脑信号仍可在常规的低频范围内被测量到，说明该方法不会淹没常规记录。关键是，通过仅在超声频率周围滤波并对其解调，他们能够仅从混合的高频信号重建出原始视觉反应的一个版本。他们进一步证明，这种重建依赖于声场的存在并且需要调到正确的载波频率，从而排除了简单电串扰的可能。

迈向实时、非侵入的大脑监听

最后，作者展示了他们可以从单次试验中恢复自发的、非重复的脑活动——而不仅仅是对重复闪光的平均响应。这表明，原则上声电神经记录有朝一日可以提供以超声焦点为空间精度尺度的实时持续脑活动监测，而不依赖于电极放置的空间限制。重要挑战仍然存在，尤其是在更厚的人类颅骨中安全传递和检测如此微小的混合信号，以及管理连续超声引起的加热问题。尽管如此，这一在小鼠中的概念验证勾画出了一条利用聚焦声波监听局部脑回路的便携式、非侵入设备的发展路径，为研究并可能诊断癫痫、抑郁症等脑部疾病提供了新途径。

引用: Rintoul, J.L., Howard, J., Dzialecka, P. et al. In vivo acoustoelectric neural recording in mice enabled by ultrasound-induced frequency mixing. Commun Eng 5, 37 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00598-4

关键词: 超声脑成像, 非侵入性神经记录, 声电效应, 视觉诱发电位, 脑信号解码