腦機啟偵 | tFUS調控丘腦腹前部：特異性增強人類視覺意識敏感度

前沿 //Frontier Research

近期，密歇根大學的研究團隊利用高精度的經顱聚焦超聲（tFUS）技術，系統性地調控了人類丘腦的四個亞區。研究首次在人類受試者中揭示：富含基質細胞的丘腦腹前部是調節視覺意識敏感度的關鍵樞紐，為丘腦皮層環路在意識形成中的作用提供了直接的因果證據。

研究亮點

■丘腦腹前部（VA）是調節視覺意識敏感度的關鍵，使用高占空比超聲刺激該區域時，受試者對模糊物體的識別敏感度顯著提升。

■ 高占空比超聲刺激丘腦所有亞區后，受試者對視覺物體的分類判斷準確率均顯著下降。

■ 研究者創新性地將行為學結果與核心基質細胞架構聯系起來，發現基質細胞越豐富的區域，tFUS刺激后帶來的知覺增強效果越明顯。

■ 結合HCP大數據集分析，揭示了VA丘腦與跨模態皮層（如額頂網絡、默認模式網絡）的緊密連接。

丘腦的結構梯度與意識知覺

關于意識的神經基礎，學界過去主要聚焦于大腦皮層的機制，而對于皮層下結構在意識內容編碼及調節中的作用探索較少。丘腦作為與皮層連接緊密的核心結構，處于協調意識體驗的中心位置。

傳統觀點將丘腦核團簡單分為特異性（中繼感覺信息）和非特異性（支持喚醒和高階認知）兩類。然而，最新有研究表明，大腦皮層的功能組織呈現出從“單模態”到“跨模態”的連續梯度，并且本研究團隊此前發現，丘腦與皮層的連接也遵循著同樣的規律：

?前部/內側丘腦：主要與跨模態皮層（處理復雜認知）連接。在細胞結構上，這里富集了廣泛投射的基質細胞。

?后部丘腦：主要與單模態皮層（處理感覺運動）連接。在細胞結構上，這里集中了窄投射的核心細胞。

基于功能連接和細胞結構的梯度，研究人員提出了一個關鍵假設：富含基質細胞的前部丘腦對于意識知覺至關重要。

突破技術局限：tFUS

要驗證上述的假設，關鍵在于解析不同丘腦亞區在意識知覺中的因果作用。然而，傳統的研究手段存在明顯局限：深部腦刺激（DBS）具有侵入性，而經顱磁刺激（TMS）等非侵入手段缺乏足夠的空間分辨率來靶向深部腦區。

而tFUS提供了一種高精度的非侵入性解決方案，并具有雙向調節的特性，其效應取決于脈沖占空比（pulse duty cycle, PDC）——高占空比（如70%）能夠降低神經元激活閾值，通常產生興奮性效應；而低占空比（如5%）與誘發電位減弱相關，通常產生抑制性效應。

綜上，本研究利用tFUS技術，在人類執行近閾值視覺任務時，分別靶向丘腦的四個梯度區域（腹前部VA、腹后部VP、背前部DA、背后部DP），并結合高/低占空比參數，旨在揭示不同丘腦亞區在人類意識知覺中的因果作用。

研究設計

圖 1 實驗設計、實驗裝置與行為范式的總覽

?實驗分組：60名健康被試隨機分配至高占空比組（DC = 70%）和低占空比組（DC = 5%）

?tFUS設備：單陣元換能器（61.5 mm直徑，80.7 mm焦深），基頻 650 kHz

?tFUS參數：

■ 脈沖重復頻率：10 Hz

■ 脈沖持續時間：100 ms

■ 脈沖占空比：70%、5%（分兩組進行）

■ 聲強：ISPTA = 720 mW/cm2, ISPPA = 1.03 W/cm2(DC = 70%) & 14.4 W/cm2(DC = 5%)

■ 治療總時長：每個靶區包含12個超聲開啟時段（每個持續30s）和11個超聲關閉時段（每個持續30s），持續11.5分鐘

? 近閾值視覺物體識別和分類任務：實驗使用了四種物體類別（人臉、房屋、人造物體和動物），每張圖片針對每個受試者進行意識知覺閾值標定（即50%識別率下的清晰度）。試驗中隨機呈現調整清晰度后的圖片和亂碼圖（噪點），受試者需回答圖像類別（分類準確率）和是否辨別出真圖和亂碼圖（知覺敏感度）。

行為學結果：超聲刺激對視覺感知的雙重影響

圖 2 靶點特異性的知覺結果變化

70%的DC下，VA刺激顯著提高了知覺敏感度（d’），且所有亞區刺激均降低了分類準確率。5%的DC下，VA和VP刺激后傾向于提高決策標準（c）。

■知覺敏感度的特異性增強：當使用70%高占空比（興奮性刺激）時，只有刺激丘腦腹前部（VA）顯著提高了受試者的知覺敏感度，即受試者更能準確地區分真實圖片和亂碼圖片；刺激其他三個區域（VP、DA、DP）沒有這種效果。

■分類準確率的普遍性干擾：在70%高占空比下，無論刺激丘腦哪個亞區，受試者對圖片類別的判斷準確率（如分辨是人臉還是房子）都下降了。

■決策標準的變化：在5%低占空比下，刺激丘腦的腹側亞區顯著提高了受試者的決策標準，即在知覺敏感度問題上受試者回答更保守，不敢輕易回答“Yes”。

細胞學機制：基質細胞

圖 3 丘腦基質細胞豐富度與行為結果變化的相關性

在70%占空比下，基質細胞豐富度（CPT）與知覺敏感度的提升（Δd’）呈正相關。

研究者使用Allen Human Brain Atlas分析了受刺激區域的基因表達，計算了基質細胞豐富度（CPT指標）。結果發現，一個區域的基質細胞越多（即CPT值越高），刺激該區域后知覺敏感度的提升（Δd’）越強。這直接證明了富含基質細胞的丘腦區域（主要位于腹前部）是提升意識知覺的關鍵。

細胞學機制：基質細胞

圖 4 丘腦區域與皮層的功能連接分布

圖a-b表示了四個丘腦靶點與大腦七大典型功能網絡的連接強度差異。VA顯示出最強的跨模態主導性，它與額頂網絡和默認模式網絡連接最強；VP和DP顯示出單模態主導性，它們主要與處理基礎感覺信息的視覺網絡和軀體運動網絡連接更強。圖c展示了所有四個丘腦區域共同連接的大腦皮層位置，集中在初級視覺皮層。圖d展示了僅與VA存在強連接的皮層區域，主要位于內側前額葉皮層和背外側前額葉皮層。

研究者進一步利用Human Connectome Project的fMRI數據解釋了行為結果背后的網絡原因。功能連接分析結果發現，VA丘腦主要與大腦的跨模態網絡連接，其中與額頂網絡（負責注意力及控制）和默認模式網絡的連接最強。

此外，四個丘腦亞區雖然功能不同，但它們都與視覺皮層保持著較強的功能連接。這就解釋了為什么無論tFUS刺激哪個亞區，高占空比超聲都會影響視覺皮層，產生“噪聲”，導致受試者分類準確率下降。

結論與啟示

本研究通過非侵入的tFUS技術，確定了富含基質細胞、以跨模態連接為主的VA丘腦在調節意識視覺知覺敏感度中的因果作用。在方法學上，不同于以往僅使用單一參數的研究，本研究對比了高（70%）和低（5%）兩種占空比，證實了tFUS的神經調控效應具有參數依賴性。

這一發現也為臨床轉化提供了重要啟示。已有研究表明，刺激丘腦有助于調節意識的整體狀態（如喚醒）；而本研究進一步揭示，它還能調節意識的知覺靈敏度。這意味著，未來針對意識障礙（DoC）（如植物人、微意識狀態）的治療，或許可以利用特定參數的超聲波精準激活丘腦基質細胞網絡，輔助患者從昏迷中蘇醒，更促進其對外部世界的有效感知。

來源 | 神蹤科技