经颅磁声电刺激是一种新型无创式神经调控技术,具有良好的刺激深度及高空间分辨率。其精确的神经刺激和调节对脑研究具有重要意义。现有经颅磁声电刺激方法聚焦性仍有待提高,且仿真模型无法计算耦合电场和神经网络放电之间的关系。本文受国家自然科学基金资助,旨在建立一个复杂结构的多物理场数值计算模型,探索实现具有高聚焦特性的声场和感应电场的控制方法;设计仿体模型实验,测量声场和耦合电场的实际聚焦参数;应用微电极阵列采集大鼠前额叶脑区的神经生理信号,研究电生理信号刺激前后的变化情况,以期揭示磁声刺激的神经调控机制。本文期望在经颅磁声电刺激声场、电场聚焦度控制与神经调控机制探索方面取得一定进展,以推动脑神经放电干预与脑功能疾病治疗技术的发展。具体工作如下:1.根据超声传播特性分析了低强度聚焦超声在生物组织中产生的生物效应,针对聚焦声场关键性能指标,对比了时间反演法与伪逆矩阵法,根据经颅磁声电刺激改进了伪逆矩阵算法,在动态聚焦基础上结合动态孔径和幅度变迹技术,进一步提高了经颅磁声电刺激高空间分辨率的聚焦电场的控制灵活性。2.构建了经颅磁声电刺激数值计算模型,计算了动态聚焦方法结合动态孔径和幅度变迹后在神经组织中产生的高聚焦度声场、电场分布;构建了模块神经元网络,以焦点处径向分布的电流强度为输入,研究了不同电流强度下,神经元网络不同模块放电活动的变化规律,根据不同位置神经元的放电波形变化验证了经颅磁声电刺激对神经放电活动调控的有效性和精准性。3.设计琼脂仿体模型实验,测量并验证了动态聚焦方法下聚焦电场的安全性;通过微电极阵列植入实验,采集了Wistar大鼠前额叶脑区刺激前后的局部场电位信号,将局部场电位信号分为delta、theta、alpha、beta、gamma五个频段,以短时傅立叶变换求得信号的时频能量分布。结果显示,在安全阈值下,耦合电场削弱了theta等低频段分布的能量,增强了gamma频段的放电活动且随刺激强度增强促进效果也增强,暗示了经颅磁声电刺激对大鼠学习记忆能力的促进效果。研究结果表明,动态聚焦方法可使经颅磁声电刺激产生高聚焦灵活度的聚焦声场,与静磁场结合产生的感应电场也具备更高的空间分辨率和更高的聚焦灵活度,可在目标脑区产生安全有效的神经干预。