将超声瞄准大脑会带来新疗法的希望。
作为观察体内，露出肿瘤或胎儿的一种方式，尝试超声波是正确的。但是神经科学家对这项技术有一个新的抱负：修补大脑。超声波的频率低于超声波，但仍超出人的听力范围，因此超声波可以穿透颅骨并增强或抑制大脑活动。如果研究人员能够证明超声波可以安全且可预测地改变人的大脑功能，那么它就可以成为功能强大的无创研究工具和治疗脑部疾病的新手段。
超声波如何在大脑上起作用仍然是个谜。但是最近的实验使人们放心了安全性，而小型研究则暗示了对人类的有意义的影响-例如减轻疼痛或巧妙地增强知觉。加州大学洛杉矶分校（UCLA）的神经科学家马克·科恩（MarkCohen）说：“我已经看到了很多诱人的数据。”“尽管挑战非常巨大，但该产品的潜力却很大，我们必须加以追究。”
科学家已经可以通过在颅骨上传递电流或电磁脉冲来无创地调节大脑。美国食品药品监督管理局（FDA）已批准经颅磁刺激（TMS）治疗抑郁症，偏头痛和强迫症（OCD）。
但是与磁场或电场不同，声波可以像聚焦在放大镜上的光一样聚焦在大脑深处的一个点上，而不会影响较浅的组织。目前，只有通过外科手术植入的金属丝才有可能实现深度和聚焦的结合。但是超声波可能会暂时破坏人类深处的大脑区域，例如杏仁形杏仁核（例如情绪反应的驱动器）或丘脑（疼痛和警觉调节器的中继站），以测试其功能或治疗疾病。
动物方面的结果令人鼓舞。年代的实验首次表明，超声波可以抑制猫脑视觉区域的神经活动。在啮齿动物中，将超声瞄准运动区域会触发诸如爪子或晶须抽动的运动。将其聚焦在猴子大脑的额叶区域可以改变动物在眼球运动任务中的表现。
但是，通过厚而致密的颅骨瞄准超声并显示其能量已经落在预期点上在技术上是棘手的。超声波对大脑的影响可能很难预测。它增强或抑制神经活动的程度取决于许多参数，包括超声脉冲的时间和强度，甚至目标神经元本身的特征。美国国家心理健康研究所的精神病学家萨拉·霍林斯沃思·利桑比（SarahHollingsworthLisanby）说：“我对这种潜力感到非常兴奋。”她说：“我们还需要承认，我们需要学习很多东西。”
一方面，研究人员对声波和脑细胞之间的相互作用大为不了解。加州理工学院的生化工程师米哈伊尔·夏皮罗（MikhailShapiro）说：“这是该领域价值数百万美元的问题。”在高强度下，超声波会加热并杀死脑细胞-神经外科医师已利用此功能烧掉负责震颤的大脑部分。
即使强度不会显着升高温度，超声波也会对细胞施加机械力。一些研究表明，这种力会改变神经元上的离子通道，从而改变细胞向邻居发射信号的可能性。如果超声波主要通过离子通道起作用，“这真是个好消息，”夏皮罗说，“因为这意味着我们可以查看那些通道的表达位置，并对可以激发哪些细胞类型做出一些预测。”在上个月的bioRxiv上的预印本中，Shapiro的团队报告说，将培养皿中的小鼠神经元暴露于超声下会打开一组特定的钙离子通道，从而使某些细胞更加兴奋。
哈佛大学的神经科学家Seung-SchikYoo说，但是仅这些通道并不能解释超声的影响。他指出，超声似乎也影响非神经脑细胞神经胶质细胞的受体。他说：“很难[开发]关于超声确切机制的任何统一理论”。
不管机制如何，超声波都开始对人类产生清晰的，微妙的影响。年，弗吉尼亚理工学院和州立大学的一个研究小组表明，聚焦超声可以增加人脑感觉处理区域的电活动，并提高参与者识别手指上触摸的点数的能力。牛津大学的神经学家克里斯托弗·巴特勒（ChristopherButler）及其同事在一项更为复杂的感官任务中测试了超声波：判断屏幕上漂移的点的运动。上个月，在认知神经科学学会在线年会上，他报告说，刺激一个称为MT的运动处理视觉区域可以提高受试者判断大多数点漂移的能力。
南卡罗来纳州医科大学的精神病学家马克·乔治（MarkGeorge）表示，到目前为止，超声波的效果比TMS的效果好。他说，借助TMS，“将它戴在头上然后打开它，拇指就会移动。”但是，促使老鼠爪子抽搐的超声波实验使用的强度“如此高，远远高于我们被允许在人体中使用的强度。”
监管机构对人体的研究受到了限制，部分原因是超声波具有烹饪大脑或通过空化（在组织中形成微小气泡）造成损害的潜力。年，Yoo及其同事在反复暴露于超声波的绵羊大脑中发现了微出血，这是血管受损的迹象。斯坦福大学的生物物理学家金·巴兹·保利（KimButtsPauly）说：“这是一个巨大的减速。但是在2月的《大脑刺激》中，她的小组也报告了对照动物也有微出血，这表明这种损伤可能是由于大脑解剖所致。PaulyPaulo和Yoo现在说，他们相信该技术可以安全使用。
科恩和合作者最近通过将超声对准即将手术切除的区域以治疗癫痫症，对人的安全性进行了测试。通过FDA的OK，他们使用的强度高达诊断超声极限的八倍。正如他们在4月份medRxiv上的预印本中所报道的那样，他们发现对脑组织或血管没有明显损害。但是，为了找到安全的极限，研究人员可能需要一直到破坏组织的水平，科恩说。
有几个团队正在谨慎地进行超声检查作为治疗。年，加州大学洛杉矶分校（UCLA）神经科学家马丁·蒙蒂（MartinMonti）及其同事报告说，一名处于最低意识状态的人在对其丘脑进行超声刺激后恢复了意识。蒙蒂（Monti）正在准备一份出版物，该出版物涉及对三个患有慢性意识障碍的人的后续研究。超声检查后，他们在几天内显示出增强的反应能力，比预期的要快得多，尽管研究不包括对照组，蒙蒂说。
这项针对癫痫患者的研究和测试使用了BrainSonixCorporation开发的超声设备。它的创始人，加州大学洛杉矶分校（UCLA）神经精神病学家亚历山大·拜斯特里茨基（AlexanderBystritsky）希望超声波能够破坏驱动强迫症症状的神经回路。他说，医院和贝勒医学院的一个团队正在计划使用BrainSonix设备在人体中进行一项研究。
哥伦比亚大学生物医学工程师ElisaKonofagou希望使用超声波治疗阿尔茨海默氏病。在COVID-19中断参与者招募之前，她和同事们正在准备一项试点研究，以将微小的气泡注入六个患有阿尔茨海默氏症的人的血液中，并使用超声脉冲来振荡脑内血管中的微气泡。这些振动的机械力会暂时拉开衬在这些血管内的细胞。研究人员希望打开这种血脑屏障将有助于大脑清除有毒蛋白质。（Konofagou的团队和其他人也在探索这种超声-微气泡的组合，以将药物输送到大脑。）
在对TMS进行了多年研究之后，George在他的首次超声检查中试图减轻疼痛。他的团队对19名参与者的手臂施加了越来越大的热量，这些参与者在重复测试中趋于变得更加敏感，并在上一次测试中报告了在较低温度下的疼痛。但是，如果在第一个测试和最后一个测试之间，他们有针对丘脑的超声波脉冲，那么他们的疼痛阈值就会下降一半。乔治说：“这绝对是一个双重的绿灯”。
George定期为TMS治疗抑郁症患者，并发现该技术可以挽救生命。他说：“但是每个人都想知道我们是否可以深入研究另一种技术，那就是改变游戏规则。”“超声波信守这一诺言，但问题是它能否真正兑现？”