光学产生聚焦超声用于超高精度无创脑刺激
为了了解大脑是如何运作的，以及它的功能障碍是如何导致疾病的，我们需要高精度地调节神经元活动的方法。精确到毫米的脑刺激方式通常会激活多个功能区域，并引起意想不到的反应。
因此，需要一种高精度的神经调节工具来绘制大脑通过调节一小部分神经元来控制子区域。电刺激工具是神经调节研究和疾病治疗的金标准，但电流泄漏超过几毫米限制了精确控制的目标。
光遗传学在靶细胞类型中提供了无与伦比的亚细胞空间分辨率和特异性，但病毒转染限制了它们在人脑中的应用。新兴的经颅聚焦超声波(tFUS)作为一种非侵入性神经调节方法，可在各种模型中提供毫米级的精度。
为了获得高的经颅效率，tFUS首选1 MHz或更低的超声频率，但将其空间分辨率限制在1 ~ 5毫米。到目前为止，聚焦超声对0.1毫米空间分辨率的无创脑刺激还没有得到证实。高精度的非侵入性非遗传神经调节仍然是一个尚未满足的关键需求。
发表在光:科学与应用来自美国波士顿大学的程继鑫(Ji-Xin Cheng)和杨晨(Chen Yang)教授领导的科学家和工程师团队开发了光学产生聚焦超声(OFUS)，用于超高精度的无创大脑刺激。
OFUS是通过在弯曲的聚二甲基硅氧烷薄膜中嵌入蜡烛烟尘纳米颗粒而制成的软光声垫(SOAP)产生的。通过光声效应，蜡烛烟尘纳米颗粒吸收入射的激光脉冲，并将能量转化为热膨胀和压缩，从而产生超声波脉冲。
SOAP可获得高精度83 μ m的经颅聚焦，这是压电低频tFUS无法达到的。这一突破得益于蜡烛烟尘纳米颗粒与PDMS混合层产生的高声波频率，并通过具有高数值孔径的几何设计将其推向极限。
OFUS能够可靠、安全地实现直接和经颅单周期刺激，体外培养神经元的钙显像证实了这一点。发现OFUS独特的单周期调制可以唤起动作电位超声总能量输入比tFUS低得多。
研究人员还通过免疫荧光成像和电生理记录验证了OFUS对小鼠的无创经颅神经刺激。因此，OFUS为大脑子区域的神经学研究提供了超高精度的非侵入性研究。
值得注意的是，OFUS在疾病治疗方面显示出令人兴奋的潜力，如调节复杂的脑功能和组织切片。为了唤起复杂的大脑功能，OFUS设备可以放大成一个大阵列，进行多点神经调节。传统的基于pzt的超声阵列，每个元件都有大量电缆连接，对患者来说佩戴起来很笨重，而重量轻的OFUS设备也为长期治疗提供了更好的可访问性和可穿戴性。
此外，OFUS设备没有金属组件，进一步提高了与实时磁共振成像(MRI)指导和功能性MRI监测的兼容性。OFUS的这些特点使刺激治疗的实时功能磁共振成像评估成为可能，并为临床应用中的闭环治疗提供了机会。此外，OFUS提供了一个机会来改善组织切片的时空控制。
传统的组织切片换能器是在数千伏的电压下驱动的，有介电击穿的风险。OFUS可以提高更高频率的空间控制，单周期提供更好的时间精度，并通过简单地提高输入光的能量，而没有介电击穿的风险，提供高强度的超声。
其独特的特点突出了OFUS在超声手术中应用的未来方向，改善了时空控制，减少了损伤，并对周围组织的热积累。
