一隻獼猴坐在電腦前。螢幕左側邊緣出現一個黃色方塊——目標。延遲幾毫秒後，右側出現第二個目標。問題是：猴子會先看哪個目標？到目前為止，神經科學實驗還算常規，但下一步卻非同尋常。透過非侵入性地將不可聽見的聲能脈衝導向大腦的特定視覺區域，一組科學家引導了這隻動物的反應。如果他們聚焦於大腦的左側，猴子更頻繁地看向右側。如果他們聚焦於右側，猴子更頻繁地看向左側。
這項實驗的結果於上週在神經科學學會年會上公佈，標誌著首次安全有效地在非人類靈長類動物身上使用聚焦超聲，以改變大腦活動而不是破壞組織。在綿羊身上進行的第二項研究也獲得了類似的結果。“這一發現為非侵入性刺激人類特定大腦區域鋪平了道路，”斯坦福大學醫學院的神經工程師、獼猴研究的主要作者揚·庫巴內克說。這項技術最終可能用於診斷或治療神經系統疾病和障礙，如帕金森病、癲癇、成癮和抑鬱症。其他科學家對此持樂觀態度。“能夠以非常謹慎設計的劑量，實際傳遞[聚焦超聲]，並在您想要的位置刺激大腦，調節迴路而不是破壞它，這個想法是一個非常重要的原理驗證，”埃默裡大學醫學院的醫學博士海倫·梅伯格說，她沒有參與這項研究。
超聲波長期以來一直用於成像。當高於人類聽覺水平（超過 20,000 赫茲）的聲波對準身體時，部分能量會反彈回來，形成身體內部結構的影像。聚焦超聲（FUS）提高了能量水平以實現其他目的。就像使用放大鏡將光束聚焦在一個點上並燃燒樹葉一樣，FUS 將多達 1,000 個聲波集中在一個特定的目標上，具有精確性和準確性。
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聚焦超聲於 2004 年首次獲得美國食品藥品監督管理局批准，作為子宮肌瘤的治療方法，其潛在用途日益廣泛，引起了許多醫生的興奮。“聚焦超聲影響組織的機制有 18 種。這一事實為治療各種醫學疾病創造了機會，”弗吉尼亞大學前神經外科聯合主任、聚焦超聲基金會創始人兼主席尼爾·卡塞爾醫學博士說，該基金會致力於加速該技術的開發和應用。
十年前，FUS 正被研究作為三種疾病或障礙的治療方法。今天，這個數字超過了 90。然而，到目前為止，它僅在人類身上用於靶向和用熱量破壞組織。除了子宮肌瘤外，它還在美國獲准用於其他四種治療用途。前列腺癌於 2015 年被新增到列表中，儘管一些泌尿科醫生對其使用持不溫不火的態度，並在 2016 年的《美國醫學會雜誌》上強調，其長期療效尚未得到證實。在大腦中，FDA 於 2016 年批准將其用作原發性震顫的消融治療（去除組織）。（在歐洲，它的使用更為廣泛。）
馬里蘭大學醫學院神經外科教授兼主任霍華德·艾森伯格參與了 FUS 作為原發性震顫和帕金森病消融治療的臨床研究，針對每種疾病的不同大腦區域。他發現患者喜歡這項技術，因為它比深部腦刺激的侵入性更小，深部腦刺激需要手術植入電極。“這實際上不是手術，”艾森伯格說。此外，由於 FUS 非常精確，艾森伯格說，“您可以雕刻病灶，您可以製作三個彼此靠近的消融灶。”
相對而言，神經調節，即改變大腦回路中的電訊號和化學訊號，需要較低劑量的能量，以間歇脈衝的形式傳遞，並且在 FUS 在大腦中可能用途的列表中相對靠後。“這是一種前沿方法，”艾森伯格說，他對使用 FUS 開啟血腦屏障進行藥物輸送更感興趣。但如果該技術能夠完善為大腦刺激方法，它將開闢一系列新的可能性。它可以比經顱磁刺激（TMS）更精確地瞄準——精確到毫米而不是釐米的量級。而且它可以深入大腦。“我認為第一個機會是在診斷方面，”庫巴內克說。“不同患者的疾病迴路可能不同。如果我們能夠特異性地刺激大腦深處的區域，並測量震顫的減少，那將[告訴我們該區域]參與了這種行為。”下一步是將聚焦超聲應用於各種精神健康和神經退行性疾病（如阿爾茨海默病）的大腦刺激方法。
與庫巴內克一樣，哈佛醫學院放射學教授、布萊根婦女醫院神經調節實驗室主任承施克·柳在神經科學學會會議上展示了使用 FUS 成功進行大腦刺激。在綿羊身上，柳和他的同事表明，FUS 既可以興奮也可以抑制大腦活動，而沒有明顯的傷害。但柳的主要目標是開發一種可穿戴的經顱 FUS 系統。他的團隊創造了一種小型裝置，重量僅為四分之一磅，可以由綿羊佩戴，綿羊的顱骨結構與人類相似。該系統包括一個聚焦超聲換能器，用於產生訊號，一個光學跟蹤器和一個施加器，用於透過植入的基座將換能器固定在頭部上方。（在人類身上，他們計劃消除植入的需要。）該小組還開發了一種計算機演算法，能夠預測聲學焦點的強度和位置，柳將聲學焦點比作一塊大奧爾佐義大利麵大小的區域。
“這些工具本身確實正在改變可能性的面貌，”梅伯格說。“如果我們能夠用超聲波調整[大腦回路]，而無需開啟大腦，那豈不是很棒嗎？”她說。這將避免手術和定期更換電池的需要。“您可以像綿羊一樣佩戴裝置，”她補充道。“我們可以開始夢想一些基於精湛神經科學的創新。”