Nat Commun | 毫秒級(jí)精準(zhǔn)調(diào)控人腦：超聲波如何“推”動(dòng)不確定性下的決策

認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)前沿文獻(xiàn)分享

基本信息

Title:Rapid modulation of choice behavior by ultrasound on the human frontal eye fields

發(fā)表時(shí)間:2026-2-20

發(fā)表期刊:Nature Communications

影響因子:15.7

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研究背景

在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，以極高的時(shí)間和空間分辨率確立大腦功能與行為之間的因果關(guān)系，一直是一項(xiàng)核心挑戰(zhàn)。近年來(lái)，經(jīng)顱超聲刺激（TUS）作為一種新興的非侵入性腦刺激技術(shù)備受矚目。與傳統(tǒng)的經(jīng)顱磁刺激（TMS）或經(jīng)顱電刺激（tES）相比，TUS 能夠以毫米級(jí)的空間分辨率精準(zhǔn)聚焦于大腦深部結(jié)構(gòu)。

然而，這項(xiàng)技術(shù)在向人類(lèi)研究轉(zhuǎn)化的過(guò)程中遇到了瓶頸。目前大多數(shù)基于人類(lèi)的 TUS 研究采用的是“離線(xiàn)”協(xié)議，即觀(guān)察刺激結(jié)束后持續(xù)存在的長(zhǎng)效可塑性改變。對(duì)于“在線(xiàn)”協(xié)議（即在任務(wù)進(jìn)行中施加刺激以觀(guān)察即時(shí)、毫秒級(jí)的行為改變）人類(lèi)研究的數(shù)據(jù)極為匱乏，且常常受到聽(tīng)覺(jué)或體感副產(chǎn)物（如超聲波引發(fā)的骨傳導(dǎo)聽(tīng)覺(jué)效應(yīng)）的混淆。這導(dǎo)致我們對(duì) TUS 在人腦中的即時(shí)生理機(jī)制和時(shí)間動(dòng)態(tài)知之甚少。

為了跨越動(dòng)物模型與人類(lèi)應(yīng)用之間的鴻溝，研究者將目光投向了額葉眼動(dòng)區(qū)（FEF）。FEF 是一個(gè)在進(jìn)化上高度保守、負(fù)責(zé)規(guī)劃和生成眼跳運(yùn)動(dòng)的核心腦區(qū)。這項(xiàng)近期發(fā)表于《Nature Communications》的研究，通過(guò)將成熟的非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物 TUS 協(xié)議改良并應(yīng)用于人類(lèi)，試圖回答一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：在線(xiàn)超聲刺激能否在嚴(yán)格控制感覺(jué)混淆的前提下，瞬間且精準(zhǔn)地改變?nèi)祟?lèi)的決策行為？

研究核心總結(jié)

研究者招募了 35 名受試者，要求他們完成一項(xiàng)眼跳決策任務(wù)。屏幕左右兩側(cè)會(huì)以極短的時(shí)間差（SOA）先后出現(xiàn)兩個(gè)視覺(jué)目標(biāo)，受試者需要盡快看向先出現(xiàn)的目標(biāo)。在目標(biāo)出現(xiàn)的同時(shí)，研究者會(huì)對(duì)受試者的左側(cè)或右側(cè) FEF（或作為對(duì)照的初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層 M1）施加持續(xù) 500 毫秒的超聲刺激。

一、超聲刺激額葉眼動(dòng)場(chǎng)可瞬間誘發(fā)對(duì)側(cè)選擇偏好

研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)左側(cè)或右側(cè) FEF 施加在線(xiàn)超聲刺激，會(huì)顯著增加受試者向刺激對(duì)側(cè)進(jìn)行眼跳的概率。這種行為上的偏移并非在所有試次中都同等強(qiáng)烈，而是集中出現(xiàn)在那些兩個(gè)目標(biāo)出現(xiàn)時(shí)間差極短、受試者面臨高度感官不確定性的“選擇域”試次中。

這一結(jié)果與此前在獼猴身上的發(fā)現(xiàn)高度一致。在低感官證據(jù)的條件下，大腦的決策網(wǎng)絡(luò)處于一種微妙的平衡狀態(tài)，此時(shí) TUS 就像是在天平的一端輕輕推了一把。這種對(duì)側(cè)偏好的增加表明，F(xiàn)EF 的超聲刺激在人類(lèi)大腦中產(chǎn)生了凈興奮性的行為調(diào)節(jié)作用，直接干預(yù)了眼動(dòng)決策的生成過(guò)程。

Fig 1. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與基線(xiàn)行為表現(xiàn)。研究利用不同時(shí)間差出現(xiàn)的視覺(jué)目標(biāo)制造決策不確定性，以捕捉超聲刺激對(duì)微弱決策信號(hào)的“推力”。

Fig 2. 額葉眼動(dòng)場(chǎng)（FEF）的超聲刺激主效應(yīng)。在線(xiàn)超聲刺激顯著增加了受試者向刺激對(duì)側(cè)注視的概率，證實(shí)了其在人類(lèi)大腦中具有凈興奮性的行為調(diào)節(jié)作用。

在線(xiàn)超聲刺激常被質(zhì)疑的一點(diǎn)是：行為的改變究竟是源于對(duì)目標(biāo)腦區(qū)的神經(jīng)調(diào)控，還是僅僅因?yàn)槭茉囌呗?tīng)到了超聲波引發(fā)的微弱聲音或感受到了頭皮震動(dòng)？為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，研究者在部分試次中將刺激靶點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了負(fù)責(zé)手部運(yùn)動(dòng)的初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層（M1）。結(jié)果顯示，M1 的超聲刺激完全沒(méi)有引發(fā)眼跳方向的偏好改變。

更關(guān)鍵的是，在隨后的盲法評(píng)估中，受試者雖然能察覺(jué)到“是否”受到了刺激，但他們主觀(guān)上無(wú)法分辨刺激是打在 FEF 還是 M1 上。這意味著，盡管感覺(jué)混淆因素確實(shí)存在，但它們?cè)?FEF 和 M1 條件下是等同的，因此絕對(duì)無(wú)法解釋只有 FEF 刺激才引發(fā)的眼跳偏好。

此外，這種調(diào)控展現(xiàn)出了極高的時(shí)間精度。超聲刺激的效應(yīng)是“即插即用”的，它只在刺激當(dāng)下的試次中生效，不會(huì)遺留到下一個(gè)試次。甚至在受試者反應(yīng)極快（低于 265 毫秒，即超聲脈沖還未播放完畢）的試次中，對(duì)側(cè)偏轉(zhuǎn)效應(yīng)依然顯著，證明了 TUS 能夠以亞秒級(jí)的速度介入認(rèn)知計(jì)算。

Fig 4. 運(yùn)動(dòng)皮層（M1）對(duì)照實(shí)驗(yàn)結(jié)果。對(duì)M1的同等刺激未能引發(fā)眼跳方向的偏好改變，證明了該超聲調(diào)控效應(yīng)嚴(yán)格依賴(lài)于特定的眼動(dòng)神經(jīng)環(huán)路。

Fig 6. 刺激的后效與盲法評(píng)估。超聲刺激的偏好效應(yīng)僅存在于刺激當(dāng)下的試次中，且受試者對(duì)FEF和M1刺激的主觀(guān)感知無(wú)顯著差異，排除了聽(tīng)覺(jué)或體感副產(chǎn)物導(dǎo)致行為改變的可能。

為什么同樣的超聲刺激，在不同受試者身上引發(fā)的偏轉(zhuǎn)幅度差異巨大？研究者利用磁共振波譜（MRS）技術(shù)，測(cè)量了受試者左側(cè) FEF 區(qū)域的基線(xiàn) GABA+ 濃度（代表皮層的抑制張力）。

數(shù)據(jù)揭示了一個(gè)有趣的機(jī)制：在沒(méi)有超聲刺激的基線(xiàn)狀態(tài)下，左側(cè) FEF 的 GABA+ 濃度越高的個(gè)體，越擅長(zhǎng)抑制右側(cè) FEF 的競(jìng)爭(zhēng)信號(hào)，從而表現(xiàn)出更強(qiáng)的向右眼跳偏好。然而，當(dāng)施加超聲刺激時(shí)，正是那些基線(xiàn) GABA+ 濃度較低（即皮層抑制張力較弱）的個(gè)體，表現(xiàn)出了最強(qiáng)烈的超聲誘發(fā)偏轉(zhuǎn)效應(yīng)；而高 GABA+ 個(gè)體對(duì)超聲刺激的反應(yīng)則相對(duì)遲鈍。

這表明，TUS 并不是簡(jiǎn)單粗暴地“激活”所有神經(jīng)元，它的凈效應(yīng)深刻依賴(lài)于目標(biāo)腦區(qū)當(dāng)前的興奮/抑制（E/I）平衡狀態(tài)。超聲波通過(guò)調(diào)節(jié)這種平衡，將不同生理基線(xiàn)的個(gè)體拉向了一個(gè)更趨同的生理狀態(tài)。

Fig 3. FEF區(qū)域GABA+濃度與超聲刺激效應(yīng)的相關(guān)性。個(gè)體在基線(xiàn)狀態(tài)下的皮層抑制張力（GABA+水平）越低，超聲刺激引發(fā)的對(duì)側(cè)眼跳偏轉(zhuǎn)效應(yīng)就越強(qiáng)烈。

Fig 5. M1區(qū)域GABA+濃度的對(duì)照分析。與FEF不同，M1區(qū)域的GABA+水平無(wú)法預(yù)測(cè)超聲刺激對(duì)眼跳行為的調(diào)節(jié)幅度，再次印證了機(jī)制的區(qū)域特異性。

研究意義

這項(xiàng)工作在多個(gè)層面上推進(jìn)了我們對(duì)非侵入性神經(jīng)調(diào)控的理解。

首先，它在人類(lèi)受試者中確立了在線(xiàn)經(jīng)顱超聲刺激的有效性與極高的時(shí)間精度。證明了 TUS 不僅能用于誘發(fā)長(zhǎng)期的神經(jīng)可塑性，還能作為一種“認(rèn)知計(jì)時(shí)器（cognitive chronometry）”，在毫秒尺度上因果性地拆解人腦的動(dòng)態(tài)計(jì)算過(guò)程。這成功彌合了非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物模型與人類(lèi)臨床/基礎(chǔ)研究之間的轉(zhuǎn)化斷層。

其次，在方法學(xué)上，該研究為未來(lái)的 TUS 實(shí)驗(yàn)樹(shù)立了標(biāo)桿。它用詳實(shí)的數(shù)據(jù)證明，僅僅設(shè)置一個(gè)“假刺激（sham）”條件是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。由于超聲波不可避免地會(huì)帶來(lái)微弱的聽(tīng)覺(jué)或體感線(xiàn)索，引入一個(gè)匹配了這些外周感覺(jué)的“活躍對(duì)照腦區(qū)”（如本研究中的 M1），是剝離混淆變量、確立真實(shí)神經(jīng)調(diào)控效應(yīng)的必決條件。

最后，這項(xiàng)研究明確了神經(jīng)調(diào)控的“狀態(tài)依賴(lài)性”邊界。超聲刺激的效果并非一成不變的處方，它受到個(gè)體局部神經(jīng)遞質(zhì)（如 GABA）基線(xiàn)水平的嚴(yán)格制約。這一發(fā)現(xiàn)提醒我們，在未來(lái)開(kāi)發(fā)基于 TUS 的臨床干預(yù)方案時(shí)，必須將患者個(gè)體的神經(jīng)生理基線(xiàn)納入考量，才能實(shí)現(xiàn)真正意義上的精準(zhǔn)神經(jīng)調(diào)控。

分享人：飯鴿兒

審核：PsyBrain 腦心前沿編輯部

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