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(diào)節(jié)皮質(zhì)內(nèi)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(jiān)視和修復(fù)中發(fā)揮著重要作用。將電極植入皮質(zhì)會激活小膠質(zhì)細胞，產(chǎn)生炎癥級聯(lián)反應(yīng)，引發(fā)異物反應(yīng)，并打開血腦屏障。這些變化可能會阻礙皮質(zhì)內(nèi)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(shè)：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(dǎo)的神經(jīng)炎癥。在治療的第一周，發(fā)現(xiàn)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(jiān)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%，提高長期記錄性能。這些數(shù)據(jù)表明，LIPUS有助于減少慢性皮質(zhì)內(nèi)微電極周圍的異物反應(yīng)。

微電極植入后LIPUS治療以及小膠質(zhì)細胞和脈管系統(tǒng)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(fā)揮著至關(guān)重要的作用。雖然急性炎癥有助于清除細胞碎片，但慢性炎癥可能會加劇組織損傷。慢性炎癥會損害神經(jīng)血管耦合，擾亂大腦的能量供應(yīng)，并加劇氧化應(yīng)激。此外，神經(jīng)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(dǎo)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(yīng)（FBR）中發(fā)揮作用。

與神經(jīng)系統(tǒng)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(fù)運動和感覺功能的巨大潛力。一項關(guān)鍵挑戰(zhàn)是插入微電極后由神經(jīng)炎癥引起的復(fù)雜FBR。將微電極等異物植入大腦會破壞血腦屏障，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(yīng)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(diào)查周圍區(qū)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(dǎo)向微電極，星形膠質(zhì)細胞在數(shù)小時內(nèi)導(dǎo)向微電極，NG2神經(jīng)膠質(zhì)細胞在幾天內(nèi)導(dǎo)向微電極。數(shù)周后，這些神經(jīng)膠質(zhì)細胞在植入的探針周圍形成膠質(zhì)疤痕，從而產(chǎn)生特征性的FBR。

調(diào)節(jié)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(yīng)用中的一個挑戰(zhàn)。超聲刺激是一種新興的神經(jīng)調(diào)節(jié)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(chǎn)生膠質(zhì)調(diào)節(jié)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(jiān)視、微電極上的封裝、密度以及與血管的關(guān)聯(lián)。此外，還監(jiān)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(shè)：在微電極植入后28天內(nèi)，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(jié)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(jiān)測，并促進了活化的小膠質(zhì)細胞向分支狀態(tài)的轉(zhuǎn)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(xiàn)表明，LIPUS有潛力作為一種非侵入性治療干預(yù)措施來調(diào)節(jié)FBR，從而促進微電極植入后的恢復(fù)。