本研究的主要作者包括Xuandi Hou、Jianing Jing、Yizhou Jiang、Xiaohui Huang、Quanxiang Xian、Ting Lei、Jiejun Zhu、Kin Fung Wong、Xinyi Zhao、Min Su、Danni Li、Langzhou Liu、Zhihai Qiu和Lei Sun。研究团队主要来自香港理工大学（The Hong Kong Polytechnic University）生物医学工程系，部分作者还隶属于广东智能科学与技术研究院。该研究于2024年发表在《Nature Communications》期刊上。
超声波（Ultrasound, US）作为一种非侵入性技术，能够穿透颅骨并作用于大脑深部区域，因此在神经调控（Neuromodulation）领域具有重要应用前景。然而，传统超声波的空间分辨率受限于衍射效应，难以精确调控特定脑区。近年来，纳米气泡（Nanobubbles）介导的超声波刺激技术逐渐兴起，其通过局部放大超声波效应，能够实现更精准的神经调控。本研究旨在开发一种基于纳米气泡的超声波刺激方法，用于精确调控小鼠大脑特定区域，并探索其在行为调控和神经疾病治疗中的应用。
研究主要包括以下几个步骤：
纳米气泡的制备与表征
研究团队从蓝藻（Anabaena flos-aquae）中提取了气体囊泡（Gas Vesicles, GVs），并通过聚乙二醇（PEG）修饰其表面，制备了PEG化的气体囊泡（PGVs）。通过透射电子显微镜（TEM）、动态光散射（DLS）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）等技术，研究人员对PGVs的尺寸、表面电位和化学结构进行了详细表征。
超声波刺激与神经元响应
研究团队在体外培养的神经元中测试了PGVs介导的超声波刺激效果。通过钙成像技术，研究人员观察到PGVs+US能够通过机械敏感离子通道（Mechanosensitive Ion Channels）引发可逆的钙离子内流，且这种响应具有低延迟和高重复性。
小鼠行为调控实验
研究团队在小鼠模型中进行了多项行为调控实验。通过将PGVs注射到小鼠的运动皮层（Motor Cortex），研究人员成功诱导了特定肢体的运动，并通过肌电图（EMG）记录了肌肉响应。此外，通过将PGVs注射到小鼠的纹状体（Striatum），研究人员能够诱导小鼠的旋转或冻结行为，具体行为取决于PGVs的注射位置。
抑郁症模型治疗实验
研究团队还探索了PGVs+US在抑郁症治疗中的应用。通过刺激小鼠的中缝背核（Dorsal Raphe Nucleus, DRN）中的5-羟色胺（5-HT）神经元，研究人员成功减轻了小鼠的抑郁样行为，并通过尾悬试验（Tail Suspension Test, TST）和强迫游泳试验（Forced Swimming Test, FST）验证了这一效果。
生物安全性评估
研究团队对PGVs的生物安全性进行了全面评估，包括细胞毒性测试、小鼠体重监测以及脑组织炎症和凋亡标志物的检测。结果表明，PGVs在小鼠体内具有良好的生物相容性，未引发明显的细胞损伤或炎症反应。
PGVs的表征与稳定性
PGVs的平均尺寸为50-100 nm，长度范围为200-600 nm。PEG修饰显著提高了GVs的稳定性和生物相容性，PGVs在小鼠脑内的超声对比信号可持续12天。
神经元响应与行为调控
PGVs+US能够通过机械敏感离子通道引发神经元的钙离子内流，且这种响应具有低延迟和高重复性。在小鼠行为调控实验中，PGVs+US成功诱导了特定肢体的运动、旋转行为和冻结行为，且这些行为具有高度的空间特异性和时间精确性。
抑郁症治疗
PGVs+US刺激DRN中的5-HT神经元能够显著减轻小鼠的抑郁样行为，表现为TST和FST中不动时间的减少和挣扎时间的增加。
生物安全性
PGVs在小鼠体内具有良好的生物相容性，未引发明显的细胞损伤或炎症反应。
本研究开发了一种基于纳米气泡的超声波刺激技术，能够实现高空间分辨率和高时间精确性的神经调控。该方法无需基因修饰，具有广泛的应用前景，特别是在神经疾病治疗和脑科学研究中。通过精确调控特定脑区，研究人员能够诱导小鼠的特定行为，并成功减轻了抑郁症模型小鼠的症状。此外，PGVs具有良好的生物安全性，为其在临床中的应用奠定了基础。
高空间分辨率的神经调控
PGVs+US能够将超声波效应局部化，实现对特定脑区的精确调控，克服了传统超声波的空间分辨率限制。
无需基因修饰
与声遗传学（Sonogenetics）等需要基因修饰的技术相比，PGVs+US无需对神经元进行基因改造，具有更高的应用潜力。
多行为调控与治疗应用
研究团队成功诱导了小鼠的多种行为，并探索了其在抑郁症治疗中的应用，展示了该技术在神经疾病治疗中的潜力。
良好的生物安全性
PGVs在小鼠体内具有良好的生物相容性，未引发明显的细胞损伤或炎症反应，为其在临床中的应用提供了安全性保障。
研究团队还探讨了PGVs+US在癌症和衰老脑研究中的潜在应用，特别是其在识别机械敏感性细胞方面的优势。此外，PGVs的表面修饰能力使其能够通过配体或其他靶向分子实现细胞特异性靶向，进一步拓展了其应用范围。