脊髓损伤，无论是损伤还是疾病，都会对健康产生毁灭性影响，包括运动或感觉功能丧失，或慢性背痛，估计在任何特定时间都会影响 540 亿人。美国的一个研究小组现已使用功能性超声成像（fUSI）来可视化脊髓并实时绘制其对电刺激的反应，这种方法可以改善慢性背痛的治疗。
尽管在感觉、运动和自主功能中发挥着核心作用，但人们对人类脊髓的功能结构知之甚少。传统的神经影像技术，例如功能性磁共振成像 (fMRI)，会受到心脏搏动和呼吸产生的强运动伪影的阻碍。
相比之下，fUSI 受运动伪影的影响较小，并且可以以高时空分辨率（大约 100 µm 和高达 100 ms）对脊髓进行成像，并且对手术期间缓慢流动的血液具有高灵敏度。它的工作原理是向感兴趣的区域发射超声波并检测该区域中流动的血细胞的回波信号（功率多普勒信号）。另一个优点是 fUSI 扫描仪是移动的，消除了 fMRI 系统所需的大量基础设施。
“脊髓中的神经回路控制和调节一些最重要的生命功能，例如呼吸、吞咽和排尿。然而，它在神经功能的研究中经常被忽视。”铅接触解释道 瓦西里奥斯·克里斯托普洛斯 来自加州大学河滨分校。 “功能超声成像克服了传统神经影像技术的局限性，能够以比功能磁共振成像更高的时空分辨率和灵敏度监测脊髓的活动。”
先前的研究表明，fUSI 可以测量动物和人类患者的大脑活动，其中一项研究表明，功率多普勒信号的低频波动与神经元活动密切相关。最近，研究人员使用 fUSI 对动物脊髓对电刺激的反应进行成像。
在这项最新的工作中，克里斯托普洛斯和同事——同样来自 南加州大学神经修复中心 凯克医学院 - 使用 fUSI 来表征脊髓中对硬膜外脊髓电刺激 (ESCS) 的反应的血流动力学活动（血流变化） - 一种神经调节工具，用于治疗对传统方法无反应的疼痛状况疗法。
在第一项人体研究中，研究小组监测了 6 名接受治疗性 ESCS 装置植入以治疗慢性背痛的患者的血流动力学活动，并将研究结果报告于 神经元.
fUSI 利用与 fMRI 类似的机制，依赖于神经血管耦合现象，其中神经活动的增加会导致血流的局部变化，以满足活跃神经元的代谢需求。该团队使用小型 15 MHz 线性阵列传感器来执行 fUSI，通过手术将其插入第十胸椎 (T10) 的脊髓，并将刺激电极放置在跨越 T8-9 脊髓节段的位置。记录的图像具有 100 x 100 µm 的空间分辨率、约 400 µm 的切片厚度和 12.8 x 10 mm 的视场。
10 名患者接受了 3.0 个开关周期的低电流 (30 mA) 刺激，其中 30 秒有刺激，然后 XNUMX 秒无刺激。刺激引起脊髓血流动力学的局部变化，一些区域的血流量显着增加，而另一些区域的血流量显着减少。一旦刺激关闭，血流就恢复到初始状态。
为了评估 fUSI 是否可以检测与不同刺激方案相关的血流动力学变化，其余两名患者接受了 3.0 个 4.5 mA 刺激的开关周期，随后接受了 3 个 3.0 mA 刺激周期，两次之间有 4.5 分钟的暂停。研究人员发现，将电流幅度从 XNUMX mA 增加到 XNUMX mA 并没有改变激活脊髓区域的空间分布。然而，高电流刺激会引起脊髓更强的血流动力学变化。
fUSI 区分不同 ESCS 电流引起的血流动力学反应的能力是开发基于超声的临床监测系统以优化刺激参数的重要一步。克里斯托普洛斯解释说，由于患者在脊髓手术期间处于麻醉状态，因此他们无法报告所应用的电刺激方案是否确实减轻了疼痛。因此，神经外科医生无法实时准确地评估神经调节的效果。
微电极阵列可以使脊髓手术更安全
“我们的研究首次证明了 fUSI 技术可用于开发闭环临床神经调节系统，使神经外科医生能够调整刺激参数（脉冲宽度、脉冲形状、频率、电流幅度、刺激位置等）在手术期间，”他告诉 物理世界.
未来，团队希望建立fUSI作为研究脊髓功能和开发实时闭环临床神经调节系统的平台。 “我们最近提交了出版 临床研究 证明 fUSI 能够检测人类脊髓中的网络，其中的活动与膀胱压力密切相关，”Christopoulos 说。 “这一发现为开发脊髓机器接口技术开辟了新途径，以恢复尿失禁患者（例如脊髓损伤患者）的膀胱控制。”
