高压功率放大器在诱发肌电运动阈值对比研究中的应用

实验名称：经颅磁声刺激与经颅超声刺激诱发肌电运动阈值的对比研究

研究方向：生物医学

测试目的：

在脑科学与神经科学研究中，物理刺激是目前应用最广泛的电磁刺激技术。该技术利用变化的磁场诱发感应电流进而对神经组织进行调控，具有安全无创、矢量性刺激的特点。TMS不仅广泛应用于神经疾病的治疗，如抑郁症、癫痫等，还可以用于脑认知活动与功能区定位。由于理论上电磁场遵循拉普拉斯方程，即TMS线圈的场强无法存在一个局部的极大值（聚焦点），因此难以实现毫米量级磁场或电场的聚焦，其刺激深度也局限于对皮层的刺激。经颅超声刺激（transcranialultrasound stimulation，TUS）作为一种新型的神经调控技术，将低强度的超声聚焦作用于脑部靶区，利用超声声束的机械效应对脑部进行无创的神经刺激，是一种力学调控。TUS因具有非侵入性、高空间分辨力、可实现深部刺激等潜在特点引起愈加广泛的关注与研究。而经颅磁声刺激（transcranialmagneto-acoustical stimulation，TMAS）是一种基于磁声耦合原理的神经调控技术，它利用超声的聚焦性可实现毫米级空间分辨的聚焦电刺激，可对神经电活动进行直接调控。该方法在保证刺激深度的情况下可获得更好的定位和脑功能区靶点刺激，特别是对刺激靶向性要求更高的脑功能分区领域以及深部经颅精准刺激领域具有重要的研究价值和应用前景。

测试设备：ATA-4014高压功率放大器、信号发生器、移动支架、旋转槽、静磁铁、超声换能器、声准直器、立体定位仪、通道生理记录仪

图：实验系统框图

实验过程：

首先由信号发生器产生特定重复频率的脉冲触发信号，信号发生器用于产生特定幅值及宽度的脉冲串。调制后的超声信号经由ATA-4014高压功率放大器放大后激励超声换能器，该换能器为平面型超声换能器，中心频率500kHz，带宽300kHz。换能器发射的超声波经声准直器聚焦，对实验小鼠脑部靶区进行刺激。实验中，待刺激小鼠被固定于脑立体定位仪上，使用呼吸麻醉机，对实验小鼠进行轻度气体麻醉。表面磁感应强度为0.3T的静磁铁放置在实验小鼠旁的旋转移动支架上，以提供TMAS实验需要的静磁场。实验中，可通过旋转支架控制磁场的施加与撤除，分别实现对小鼠的TMAS和TUS过程。静磁铁的表面磁感应强度通过高斯计测试获得。此外，为了确定实验中的声学参数，设置了声场检测装置。针式水听器用于检测待刺激靶区的声信号，该声信号经可变增益放大器由数字示波器显示。实验中，使用多通道生理电信号采集处理系统对小鼠EMG进行采集、放大及简单滤波。EMG的后期分析、处理使用MATLAB工具包。

图：小鼠EMG与TMAS激励信号关系

实验结果：

本文基于小鼠EMG的采集、分析及运动阈值的获取，对比研究了TUS与TMAS对运动皮层神经的调控效果。结果表明：相对于TUS，TMAS可以在更低的超声强度下诱发小鼠的EMG并检测到运动阈值；并且在相同超声强度激励下，TMAS引起EMG的成功率更高，运动反馈也更加稳定。该结果反映出TMAS较TUS具有更有效的小鼠脑皮层运动区调控能力，其原因是TMAS结合了耦合电场与声场的复合刺激，同步的声场与电场形成了协同调控。

图：激励电压-刺激靶点处声压曲线

此外，有研究表明，小鼠在TUS作用下能够诱发运动反馈的最低超声强Ispta不低于100mW/cm2。但是，本研究结果表明TMAS可以将能够引起运动反馈的超声强度Ispta降低约80%，这很大程度上可以降低超声的热效应和空化效应给神经组织可能带来的损伤。同时对TUS的研究也具有重要意义。本研究中还观察到：对于TMAS，在磁场引入与撤除的一小段时间内（3~10s），观察到小鼠EMG的成功率相对于持续进行磁场刺激时更高，这可能是由于神经元细胞存在一定的磁效应，使得神经元细胞膜导电性改变或者阈电位降低。此外，本研究仅选取了EMG作为评价指标，为进一步探究TMAS对神经电活动的影响，下一步还可对小鼠的局部场电位、神经电生理等信号进行分析研究，更深入地探索TMAS对神经元细胞的刺激原理与作用机制。

安泰ATA-4014高压功率放大器：

图：ATA-4014高压功率放大器指标参数

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