近日，匹兹堡大学研究团队在《Nature Communications》上发表研究文章“Low-intensity pulsed ultrasound stimulation(LIPUS)modulates microglial activation following intracortical microelectrode implantation”，低强度脉冲超声刺激调节皮质内微电极植入后的小胶质细胞活化。


小胶质细胞在大脑的监视和修复中发挥着重要作用。将电极植入皮质会激活小胶质细胞，产生炎症级联反应，引发异物反应，并打开血脑屏障。这些变化可能会阻碍皮质内脑机接口的性能。使用植入微电极的双光子成像，本论文研究了以下假设：低强度脉冲超声刺激（LIPUS）可以减少微电极植入后小胶质细胞介导的神经炎症。在治疗的第一周，发现LIPUS使小胶质细胞迁移速度增加了128%，小胶质细胞扩张面积增加了109%，小胶质细胞活化减少了17%，表明组织愈合和监测得到改善。微电极的小胶质细胞覆盖率减少了50%，星形细胞疤痕减少了36%，提高长期记录性能。这些数据表明，LIPUS有助于减少慢性皮质内微电极周围的异物反应。

微电极植入后LIPUS治疗以及小胶质细胞和脉管系统双光子成像的实验装置


炎症在大脑防御疾病和损伤方面发挥着至关重要的作用。虽然急性炎症有助于清除细胞碎片，但慢性炎症可能会加剧组织损伤。慢性炎症会损害神经血管耦合，扰乱大脑的能量供应，并加剧氧化应激。此外，神经炎症会增加血脑屏障（BBB）的通透性，使纤维蛋白原等血液成分渗透，从而导致脑组织损伤。炎症引起的这些变化与阿尔茨海默病、多发性硬化症和帕金森病等神经退行性疾病有关，并且在胶质瘤、中风、创伤性脑损伤和对脑植入的异物反应（FBR）中发挥作用。


与神经系统连接的穿透性微电极阵列是脑机接口（BCI）的前端组件，已显示出恢复运动和感觉功能的巨大潜力。一项关键挑战是插入微电极后由神经炎症引起的复杂FBR。将微电极等异物植入大脑会破坏血脑屏障，使神经元和少突胶质细胞退化，并激活小胶质细胞和NG2神经胶质细胞。在胶质细胞中，小胶质细胞是神经炎症的第一反应者和重要介质，保护大脑免受损伤。小胶质细胞的丝状伪足使它们能够有效地调查周围区域，检测病原体、干扰或异物。先前的研究表明，小胶质细胞在植入几分钟后将其丝状伪足导向微电极，星形胶质细胞在数小时内导向微电极，NG2神经胶质细胞在几天内导向微电极。数周后，这些神经胶质细胞在植入的探针周围形成胶质疤痕，从而产生特征性的FBR。


调节微电极植入后小胶质细胞的变化仍然是神经科学研究和临床脑机接口应用中的一个挑战。超声刺激是一种新兴的神经调节工具，低强度脉冲超声刺激(LIPUS)已被证明可以减少炎症并促进组织愈合。最近的研究报告称，LIPUS可以作用于机械敏感离子通道，从而产生胶质调节作用，减少小胶质细胞促炎细胞因子表达。


本文旨在研究LIPUS对小胶质细胞活性、FBR和BBB的影响，并测试LIPUS是否可以挽救慢性植入物的退化记录性能。使用双光子成像技术，量化了小胶质细胞的迁移、激活、监视、微电极上的封装、密度以及与血管的关联。此外，还监测了植入微电极周围脑血管直径的变化。


本文验证了以下假设：在微电极植入后28天内，与未经治疗的对照组相比，LIPUS治疗将减少小胶质细胞的激活，降低探针上的小胶质细胞覆盖率，并降低与血管相关的小胶质细胞比例。研究结果表明，LIPUS治疗有效地增强了小胶质细胞的初始迁移和监测，并促进了活化的小胶质细胞向分支状态的转变。此外，LIPUS降低了探针上小胶质细胞的覆盖范围、与血管相关的小胶质细胞比例以及脑血管的扩张。最后，大鼠LIPUS增加了L5电极的记录性能，并减少了星形胶质细胞的激活。这些发现表明，LIPUS有潜力作为一种非侵入性治疗干预措施来调节FBR，从而促进微电极植入后的恢复。