近日，匹茲堡大學研究團隊在《Nature Communications》上發表研究文章“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內微電極植入后的小膠質細胞活化。


小膠質細胞在大腦的監視和修復中發揮著重要作用。將電極植入皮質會激活小膠質細胞，產生炎癥級聯反應，引發異物反應，并打開血腦屏障。這些變化可能會阻礙皮質內腦機接口的性能。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細胞介導的神經炎癥。在治療的第一周，發現LIPUS使小膠質細胞遷移速度增加了128%，小膠質細胞擴張面積增加了109%，小膠質細胞活化減少了17%，表明組織愈合和監測得到改善。微電極的小膠質細胞覆蓋率減少了50%，星形細胞疤痕減少了36%，提高長期記錄性能。這些數據表明，LIPUS有助于減少慢性皮質內微電極周圍的異物反應。

微電極植入后LIPUS治療以及小膠質細胞和脈管系統雙光子成像的實驗裝置


炎癥在大腦防御疾病和損傷方面發揮著至關重要的作用。雖然急性炎癥有助于清除細胞碎片，但慢性炎癥可能會加劇組織損傷。慢性炎癥會損害神經血管耦合，擾亂大腦的能量供應，并加劇氧化應激。此外，神經炎癥會增加血腦屏障（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、多發性硬化癥和帕金森病等神經退行性疾病有關，并且在膠質瘤、中風、創傷性腦損傷和對腦植入的異物反應（FBR）中發揮作用。


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


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


本文旨在研究LIPUS對小膠質細胞活性、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，量化了小膠質細胞的遷移、激活、監視、微電極上的封裝、密度以及與血管的關聯。此外，還監測了植入微電極周圍腦血管直徑的變化。


本文驗證了以下假設：在微電極植入后28天內，與未經治療的對照組相比，LIPUS治療將減少小膠質細胞的激活，降低探針上的小膠質細胞覆蓋率，并降低與血管相關的小膠質細胞比例。研究結果表明，LIPUS治療有效地增強了小膠質細胞的初始遷移和監測，并促進了活化的小膠質細胞向分支狀態的轉變。此外，LIPUS降低了探針上小膠質細胞的覆蓋范圍、與血管相關的小膠質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，并減少了星形膠質細胞的激活。這些發現表明，LIPUS有潛力作為一種非侵入性治療干預措施來調節FBR，從而促進微電極植入后的恢復。