近日，匹茲堡大學(xué)研究團隊在《Nature Communications》上發(fā)表研究文章“Low-intensity pulsed ultrasound stimulation(LIPUS)modulates microglial activation following intracortical microelectrode implantation”，低強度脈沖超聲刺激調節皮質(zhì)內微電極植入后的小膠質(zhì)細胞活化。

小膠質(zhì)細胞在大腦的監視和修復中發(fā)揮著(zhù)重要作用。將電極植入皮質(zhì)會(huì )激活小膠質(zhì)細胞，產(chǎn)生炎癥級聯(lián)反應，引發(fā)異物反應，并打開(kāi)血腦屏障。這些變化可能會(huì )阻礙皮質(zhì)內腦機接口的性能。使用植入微電極的雙光子成像，本論文研究了以下假設：低強度脈沖超聲刺激（LIPUS）可以減少微電極植入后小膠質(zhì)細胞介導的神經(jīng)炎癥。在治療的第一周，發(fā)現LIPUS使小膠質(zhì)細胞遷移速度增加了128%，小膠質(zhì)細胞擴張面積增加了109%，小膠質(zhì)細胞活化減少了17%，表明組織愈合和監測得到改善。微電極的小膠質(zhì)細胞覆蓋率減少了50%，星形細胞疤痕減少了36%，提高長(cháng)期記錄性能。這些數據表明，LIPUS有助于減少慢性皮質(zhì)內微電極周?chē)漠愇锓磻?

微電極植入后LIPUS治療以及小膠質(zhì)細胞和脈管系統雙光子成像的實(shí)驗裝置

炎癥在大腦防御疾病和損傷方面發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用。雖然急性炎癥有助于清除細胞碎片，但慢性炎癥可能會(huì )加劇組織損傷。慢性炎癥會(huì )損害神經(jīng)血管耦合，擾亂大腦的能量供應，并加劇氧化應激。此外，神經(jīng)炎癥會(huì )增加血腦屏障（BBB）的通透性，使纖維蛋白原等血液成分滲透，從而導致腦組織損傷。炎癥引起的這些變化與阿爾茨海默病、多發(fā)性硬化癥和帕金森病等神經(jīng)退行性疾病有關(guān)，并且在膠質(zhì)瘤、中風(fēng)、創(chuàng )傷性腦損傷和對腦植入的異物反應（FBR）中發(fā)揮作用。

與神經(jīng)系統連接的穿透性微電極陣列是腦機接口（BCI）的前端組件，已顯示出恢復運動(dòng)和感覺(jué)功能的巨大潛力。一項關(guān)鍵挑戰是插入微電極后由神經(jīng)炎癥引起的復雜FBR。將微電極等異物植入大腦會(huì )破壞血腦屏障，使神經(jīng)元和少突膠質(zhì)細胞退化，并激活小膠質(zhì)細胞和NG2神經(jīng)膠質(zhì)細胞。在膠質(zhì)細胞中，小膠質(zhì)細胞是神經(jīng)炎癥的第一反應者和重要介質(zhì)，保護大腦免受損傷。小膠質(zhì)細胞的絲狀偽足使它們能夠有效地調查周?chē)鷧^域，檢測病原體、干擾或異物。先前的研究表明，小膠質(zhì)細胞在植入幾分鐘后將其絲狀偽足導向微電極，星形膠質(zhì)細胞在數小時(shí)內導向微電極，NG2神經(jīng)膠質(zhì)細胞在幾天內導向微電極。數周后，這些神經(jīng)膠質(zhì)細胞在植入的探針周?chē)纬赡z質(zhì)疤痕，從而產(chǎn)生特征性的FBR。

調節微電極植入后小膠質(zhì)細胞的變化仍然是神經(jīng)科學(xué)研究和臨床腦機接口應用中的一個(gè)挑戰。超聲刺激是一種新興的神經(jīng)調節工具，低強度脈沖超聲刺激(LIPUS)已被證明可以減少炎癥并促進(jìn)組織愈合。最近的研究報告稱(chēng)，LIPUS可以作用于機械敏感離子通道，從而產(chǎn)生膠質(zhì)調節作用，減少小膠質(zhì)細胞促炎細胞因子表達。

本文旨在研究LIPUS對小膠質(zhì)細胞活性、FBR和BBB的影響，并測試LIPUS是否可以挽救慢性植入物的退化記錄性能。使用雙光子成像技術(shù)，量化了小膠質(zhì)細胞的遷移、激活、監視、微電極上的封裝、密度以及與血管的關(guān)聯(lián)。此外，還監測了植入微電極周?chē)X血管直徑的變化。

本文驗證了以下假設：在微電極植入后28天內，與未經(jīng)治療的對照組相比，LIPUS治療將減少小膠質(zhì)細胞的激活，降低探針上的小膠質(zhì)細胞覆蓋率，并降低與血管相關(guān)的小膠質(zhì)細胞比例。研究結果表明，LIPUS治療有效地增強了小膠質(zhì)細胞的初始遷移和監測，并促進(jìn)了活化的小膠質(zhì)細胞向分支狀態(tài)的轉變。此外，LIPUS降低了探針上小膠質(zhì)細胞的覆蓋范圍、與血管相關(guān)的小膠質(zhì)細胞比例以及腦血管的擴張。最后，大鼠LIPUS增加了L5電極的記錄性能，并減少了星形膠質(zhì)細胞的激活。這些發(fā)現表明，LIPUS有潛力作為一種非侵入性治療干預措施來(lái)調節FBR，從而促進(jìn)微電極植入后的恢復。