超聲波能夠以高時(shí)空分辨率實(shí)現(xiàn)深部腦神經(jīng)調(diào)控，其效果可與經(jīng)顱磁刺激（TMS）、經(jīng)顱直流電刺激（tDCS）等傳統(tǒng)技術(shù)相媲美。但常規(guī)的經(jīng)顱超聲技術(shù)仍缺乏調(diào)控少數(shù)神經(jīng)元集群所必需的精度。近期，一項(xiàng)研究通過(guò)引入新型納米材料，成功解決了這一難題。該工作展示了一種基于中空二氧化硅納米結(jié)構(gòu)（Hollow Silica Nanostructures, HSN）的聲機(jī)械刺激策略。這些納米結(jié)構(gòu)能夠定位并放大超聲波的生物力學(xué)效應(yīng)，通過(guò)激活機(jī)械敏感離子通道，在小鼠大腦中實(shí)現(xiàn)超過(guò)九周的長(zhǎng)期、精準(zhǔn)神經(jīng)調(diào)控。通過(guò)控制HSN的注射量和位點(diǎn)，研究者能夠選擇性激活包括初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層（M1）、紋狀體、腹側(cè)被蓋區(qū)（VTA）和丘腦底核（STN）在內(nèi)的多個(gè)腦區(qū)，并在帕金森病小鼠模型中緩解了運(yùn)動(dòng)癥狀，且未觀察到明顯毒性。這項(xiàng)研究為無(wú)需基因改造、安全、微創(chuàng)的慢性腦神經(jīng)調(diào)控與治療提供了全新方案。

這項(xiàng)重要研究由Xuandi Hou, Jianing Jing, Zhuohan Shi, Yizhou Jiang & Lei Sun共同完成，題為“Sono-mechanical nanostructures-enabled sustained precise ultrasound brain stimulation”，于2026年2月在線發(fā)表在《自然通訊》（Nature Communications）期刊上。

重要發(fā)現(xiàn)
本研究核心在于開(kāi)發(fā)并驗(yàn)證了一種兼具高穩(wěn)定性與高聲學(xué)活性的納米工具——中空二氧化硅納米結(jié)構(gòu)（HSN），并將其與低強(qiáng)度超聲結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)期、精準(zhǔn)、安全的在體腦神經(jīng)調(diào)控。其完整科學(xué)路徑與發(fā)現(xiàn)如下：

在體空間精度控制：研究將HSN注射至小鼠大腦的特定區(qū)域（如運(yùn)動(dòng)皮層、紋狀體），以檢驗(yàn)其調(diào)控的空間精度。在運(yùn)動(dòng)皮層，注射HSN一周后施加超聲，可在對(duì)側(cè)前肢記錄到清晰的肌電（EMG）響應(yīng)，且響應(yīng)幅度與HSN注射量及超聲強(qiáng)度相關(guān)。在更深部的紋狀體，超聲刺激后，c-Fos陽(yáng)性細(xì)胞僅密集出現(xiàn)在HSN分布的局部區(qū)域（約200微米范圍內(nèi)），而在600微米外無(wú)HSN的區(qū)域則無(wú)此現(xiàn)象。當(dāng)增大HSN注射體積時(shí)，激活區(qū)域也隨之?dāng)U大。這雄辯地證明，神經(jīng)激活的 spatial pattern 不取決于超聲波長(zhǎng)，而完全由HSN的注射位點(diǎn)及其局部分布所決定，實(shí)現(xiàn)了“指哪打哪”的精準(zhǔn)調(diào)控。

長(zhǎng)期穩(wěn)定性與慢性調(diào)控驗(yàn)證：這是本研究突破的關(guān)鍵。通過(guò)熒光成像、超聲成像和磁共振成像（MRI）多種技術(shù)長(zhǎng)期追蹤，發(fā)現(xiàn)HSN在小鼠腦內(nèi)可穩(wěn)定存在并保持聲學(xué)功能超過(guò)11周，遠(yuǎn)超壽命僅數(shù)日的傳統(tǒng)納米氣泡。利用光纖光度術(shù)記錄表達(dá)GCaMP6s鈣指示劑的VTA神經(jīng)元活動(dòng)，研究發(fā)現(xiàn)HSN+US可在注射后第1、5、9周均誘發(fā)快速、可重復(fù)的鈣信號(hào)，證實(shí)了其長(zhǎng)達(dá)九周的慢性調(diào)控能力。組織染色顯示，九周后超聲刺激仍能特異性激活HSN所在的VTA區(qū)域神經(jīng)元，并引起其下游伏隔核（NAc）神經(jīng)元的c-Fos表達(dá)上調(diào)，而聽(tīng)覺(jué)皮層未被激活，排除了非特異性聽(tīng)覺(jué)干擾。

創(chuàng)新與亮點(diǎn)
本研究的首要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于突破了傳統(tǒng)超聲神經(jīng)調(diào)控在“空間精度”與“時(shí)間持續(xù)性”不可兼得的核心困境�，F(xiàn)有技術(shù)要么（如聚焦超聲）難以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞尺度的精準(zhǔn)靶向，要么（如納米氣泡療法）雖能提高精度但體內(nèi)存留時(shí)間短，無(wú)法支持慢性疾病治療。HSN材料巧妙地將氣體腔體的高聲學(xué)響應(yīng)性與二氧化硅殼的物理化學(xué)穩(wěn)定性合二為一，創(chuàng)造了一個(gè)可在腦中長(zhǎng)期駐留的“微型聲學(xué)放大器”，從而將超聲的精準(zhǔn)調(diào)控效應(yīng)從“天”的量級(jí)延長(zhǎng)至“月”。

其次，研究發(fā)展并深度融合了一套多模態(tài)生物成像技術(shù)方案，用以全程、多角度驗(yàn)證調(diào)控效果與材料命運(yùn)。這并非單一成像技術(shù)的突破，而是系統(tǒng)性的方法整合：利用鈣成像在細(xì)胞和網(wǎng)絡(luò)水平實(shí)時(shí)解碼神經(jīng)元電活動(dòng)；采用c-Fos等免疫熒光染色在分子與結(jié)構(gòu)層面確認(rèn)神經(jīng)元激活的位點(diǎn)與范圍；借助材料自身的熒光與磁學(xué)特性，通過(guò)熒光顯微鏡和MRI對(duì)其腦內(nèi)分布與滯留進(jìn)行長(zhǎng)期示蹤；創(chuàng)新性地利用HSN的超聲對(duì)比劑特性，通過(guò)超聲成像無(wú)損、動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)其結(jié)構(gòu)完整性與功能狀態(tài)。這套“組合成像拳”為理解“材料-超聲-神經(jīng)”互作提供了完整證據(jù)鏈。

該技術(shù)在光學(xué)生物醫(yī)療領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的實(shí)際價(jià)值。其核心價(jià)值在于為慢性神經(jīng)系統(tǒng)疾病的精準(zhǔn)、微創(chuàng)治療提供了全新的技術(shù)工具和解決思路。例如，在帕金森病、癲癇、抑郁癥等需要長(zhǎng)期干預(yù)的疾病中，HSN+US策略無(wú)需植入電極或反復(fù)注射，即可實(shí)現(xiàn)類(lèi)似腦深部電刺激（DBS）的療效，且具備更優(yōu)的空間分辨率和可調(diào)節(jié)性。在神經(jīng)科學(xué)研究中，它為神經(jīng)環(huán)路的長(zhǎng)期因果性研究提供了強(qiáng)大工具。此外，HSN表面易于功能化的特點(diǎn)，為其未來(lái)與靶向分子結(jié)合，實(shí)現(xiàn)特定細(xì)胞類(lèi)型的精準(zhǔn)調(diào)控（與聲遺傳學(xué)互補(bǔ)）鋪平了道路，有望推動(dòng)個(gè)性化、靶向性神經(jīng)調(diào)控療法的發(fā)展。

總結(jié)與展望
本研究成功開(kāi)發(fā)了一種基于中空二氧化硅納米結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期精準(zhǔn)超聲腦刺激技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)穩(wěn)定、生物相容的納米材料局部放大超聲的機(jī)械力，特異性激活機(jī)械敏感離子通道，實(shí)現(xiàn)了對(duì)小鼠特定腦區(qū)長(zhǎng)達(dá)數(shù)周的精準(zhǔn)、可逆神經(jīng)調(diào)控，并在帕金森病模型中驗(yàn)證了其治療潛力，且全身及局部安全性良好。

展望未來(lái)，該技術(shù)面向臨床轉(zhuǎn)化仍有一些問(wèn)題需要深入探索：例如，納米材料在更長(zhǎng)時(shí)間尺度（數(shù)月到數(shù)年）上的最終代謝途徑、生物降解產(chǎn)物及其長(zhǎng)期安全性需進(jìn)一步評(píng)估；在大型動(dòng)物（如非人靈長(zhǎng)類(lèi)）模型中的有效性與安全性驗(yàn)證是關(guān)鍵下一步；結(jié)合靶向配體修飾，有望實(shí)現(xiàn)特定細(xì)胞類(lèi)型的精準(zhǔn)調(diào)控，提升治療特異性。盡管前路仍需探索，但這項(xiàng)研究無(wú)疑為下一代非侵入性、高精度、長(zhǎng)時(shí)程的神經(jīng)調(diào)控與腦疾病治療技術(shù)開(kāi)辟了一條極具前景的新路徑。

DOI:10.1038/s41467-026-69710-8.