经颅磁声电刺激对大鼠工作记忆局部场电位gamma节律的影响

经颅磁声电刺激(TMAES)是一种新型无创的神经调控技术,利用超声与静磁场相互耦合产生感应电场,调节相应脑区的神经节律振荡活动,从而影响大脑学习、记忆等认知功能。为探究经颅磁声电刺激对大鼠工作记忆(WM)行为学实验中gamma节律神经振荡活动的影响,将20只健康成年Wistar大鼠随机分为对照组和刺激组,刺激组大鼠接受0.05~0.15 T、1.33~13.33 W/cm^(2)的经颅磁声电刺激,持续10 d,对照组不接受刺激;采集T型迷宫工作记忆任务中大鼠前额叶皮层(PFC)的局部场电位信号(LFPs),对比分析两组间的行为学差异、LFPs的时频分布和互信息相关性。结果显示,刺激组大鼠执行工作记忆任务达到正确率80%以上所需时间为(7.57±0.99)d,明显少于对照组(10.65±2.32)d(P<0.05);在经过选择点位置前后,2.66~13.33 W/cm^(2)组、0.10~0.15 T组大鼠LFPs信号gamma频段的能量密度明显高于对照组的相应值(P<0.05),6.65~13.33 W/cm^(2)组、0.10~0.15 T组大鼠gamma频段12通道信号间的相关性明显强于对照组的相应值(P<0.05)。研究结果表明,经颅磁声电刺激能够增强大鼠工作记忆中前额叶皮层神经元集群gamma节律振荡活动,为进一步探索经颅磁声电刺激调节大脑记忆功能的作用机制奠定基础。

时间反演聚焦经颅磁声电刺激仿真与实验研究

无创脑神经调控技术是生物医学领域的研究热点,经颅磁声电刺激是利用静磁场和声场的耦合而产生的感应电场作用于神经组织,对大脑的目标位置进行刺激和调控的一项技术。颅骨的存在使超声在传播过程中发生相位畸变和幅值衰减,聚焦区域偏离,难以实现精准聚焦。该文基于时间反演法,模拟颅内点声源发射脉冲以及超声传播过程,计算各个阵元接收到的时间差,按照后到先发的原则发射脉冲进行聚焦刺激。与传统相控阵聚焦相比,焦点偏移现象基本得到解决,焦域横向、纵向分辨率均有所提高,提高了声束聚焦精度和感应电场峰值。通过搭建实验平台,将两种聚焦方法所测得的声场归一化处理,验证了时间反演法能补偿焦点偏移,并通过实验证实了超声换能器声场和产生感应电场分布存在较高的一致性。基于真实颅脑结构的虚拟点源时间反演聚焦可以实现无创、精准、灵活的经颅磁声电刺激,有助于推动精准神经调控技术的发展。

经颅磁声电刺激下大鼠局部场电位gamma节律的互信息分析

经颅磁声电刺激(TMAES)是一种非侵入式的无创神经调控技术,该技术利用脉冲超声和静磁场共同作用于神经组织,通过磁声电效应产生感应电流,进而调节神经组织的活动节律;与其他非侵入式神经调节技术相比,TMAES具有更高的空间分辨率和良好的聚焦深度。gamma节律是刺激诱发局部场电位的典型节律,该节律在大脑皮层信息处理和认知功能中发挥重要作用。应用时频分析和互信息分析对照组和TMAES组大鼠前额叶皮层局部场电位gamma节律平均功率、互信息值、聚类系数、平均路径长度。结果表明,在一定静磁场强度下,gamma节律的平均功率随着超声功率的增加而增加;在特定时间段内,gamma节律的平均互信息值随着超声功率增加而增大;gamma节律聚类系数随着超声功率增加而增大;gamma节律平均路径长度随着超声功率增加而减小;经颅磁声电刺激可以增强局部场电位gamma节律,调节脑组织的振荡活动。

基于相控阵聚焦的经颅磁声电刺激仿真与实验分析

经颅磁声电刺激方法在颅内产生的感应电场分布是决定神经调控精度的关键因素。相控阵可产生高聚焦度声场,但其结构参数与颅内感应电场之间关系尚不明确。本文建立了包含相控阵的三维有限元模型,计算了声场分布并采用焦区横截面积、焦区深度、声强和电场强度为评价指标。设计仿体实验测量了焦点处实际电场强度。以Wistar大鼠为实验对象,考察了相控阵在0.8MHz中心频率,不同阵元数下与0.3T静磁场耦合作用对大鼠局部场电位的作用规律。结果表明,增加阵元数目可提高焦区电场强度,进而降低局部场电位低频段(4~30Hz)振荡频率,增加高频段(30~80Hz)能量,揭示了基于相控阵聚焦的经颅磁声电刺激对神经元兴奋性的调节机制,为经颅磁声电刺激系统设计与相控阵结构参数选择提供参考。