Британские физики и нейробиологи из Имперского колледжа Лондона доказали, что мозг можно стимулировать принципиально новым способом – совместив ультразвук и слабое электрическое поле. Каждый из них по отдельности не вызывает реакции нейронов, но там, где ультразвуковой луч фокусируется в ткани мозга, эти два поля «смешиваются» и порождают новое низкочастотное электрическое поле прямо в точке фокуса. Именно оно и стимулирует нейроны с той же пространственной точностью, что и ультразвук. Попутно выяснилось, что этот механизм уже работает в обычных ультразвуковых стимуляторах мозга, хотя никто этого раньше не замечал. Подробности работы опубликованы в журнале Nature Communications.
Принцип акустоэлектрической нейромодуляции. Credit: Jean L. Rintoul et al. / Nature Communications 2026
Неинвазивная стимуляция мозга – один из самых перспективных инструментов лечения депрессии, эпилепсии, болезни Альцгеймера и других расстройств. Существующие методы имеют принципиальные ограничения. Магнитная и электрическая стимуляции действуют широко, охватывая большие области мозга, и не позволяют прицельно затронуть глубокие структуры. Фокусированный ультразвук, наоборот, собирается в точку диаметром несколько миллиметров, но никто до конца не понимает, как именно он возбуждает нейроны.
Исследователи предлагали не менее шести конкурирующих объяснений – от механического, связанного с давлением на ионные каналы, до нагрева и косвенной слуховой активации. Неясность в механизме затрудняет и совершенствование метода, и его клиническое применение. Акустоэлектрический эффект – взаимодействие звуковых и электрических полей в соленой жидкости – известен с 1946 года и давно используется для картирования электрических токов в сердечной ткани. Но до сих пор никто не проверял, можно ли использовать его для стимуляции нейронов.
Когда ультразвуковая волна распространяется через электропроводящую среду, например, физиологический раствор или живую мозговую ткань, она периодически сжимает и растягивает ионы. Если одновременно в этой же среде присутствует внешнее электрическое поле, то в зоне ультразвукового фокуса возникает новое электрическое поле с частотой, равной разности частот двух исходных сигналов. Если, например, ультразвук работает на частоте 500 000 Гц, а электрическое поле – на 500 001 Гц, то в фокусе появляется поле с частотой всего 1 Гц – той самой, что способна возбуждать нейроны. За пределами фокуса этого нового поля нет, оно существует только там, где «встречаются» оба исходных. Это и обеспечивает пространственную точность.
Авторы провели серию экспериментов. Они начали с емкости с физраствором и показали, что акустоэлектрическое поле ограничено зоной фокуса ультразвука, а расстояние между его максимумами составляет около 1,5 мм.
Затем авторы перешли к мышам с вживленными в двигательную кору электродами. Ультразвуковой излучатель фокусировали над головой, два кольцевых электрода снаружи создавали слабое электрическое поле, проходящее через голову. Три условия проверяли поочередно: только ультразвук, только электрическое поле, оба вместе. Каждый раз фиксировали электрическое поле внутри мозга и мышечный ответ лапы.
Когда оба поля действовали одновременно, электрическое поле внутри мозга в точке фокуса было значительно больше, чем при каждом воздействии по отдельности. Мышечный ответ – сокращение лапы – возникал только при одновременном действии ультразвука и электрического поля. Авторы повторили опыт, выставив разность частот равной 1 Гц, и получили ритмичные мышечные сокращения с частотой ровно 1 Гц. Это прямое доказательство того, что мозг реагирует именно на акустоэлектрически сгенерированное поле: если менять разность частот, меняется и ритм ответа.
Далее исследователи последовательно исключили все альтернативные объяснения. При акустоэлектрической и «чисто ультразвуковой» стимуляции температура ткани повышалась одинаково, а мышечные ответы – нет, поэтому нагрев ни при чем. Разностный сигнал не появлялся, когда оба входных сигнала подавались напрямую в усилитель через трансформатор, то есть аппаратура ничего не смешивала. Экранирование «лишнего» электрического поля от ультразвукового излучателя не меняло акустоэлектрического эффекта – так доказали, что утечка излучателя не может быть его источником. Наконец, без акустического соединения – при воздушном зазоре между излучателем и головой – ни мозговой сигнал, ни мышечный ответ не возникали, хотя электрическое поле по-прежнему проходило через ткань.
Еще один неожиданный вывод касался обычной ультразвуковой стимуляции мозга. Любой ультразвуковой излучатель ведет себя как антенна, то есть напряжение, которым он питается, частично «вытекает» в окружающую проводящую среду. Авторы показали, что эта утечка сама взаимодействует с ультразвуковой волной акустоэлектрически. Когда между излучателем и головой мыши вставляли материал, прозрачный для звука, но изолирующий электрически, мышечные ответы на стандартный ультразвуковой стимул уменьшались вдвое. Это означает, что во многих опубликованных экспериментах по ультразвуковой стимуляции мозга часть эффекта обеспечивалась «паразитным» акустоэлектрическим механизмом, только никто этого не замечал.
Несмотря на предварительный характер результатов работа переводит акустоэлектрический эффект из области физических измерений в нейростимуляцию и заодно ставит под сомнение интерпретацию многих предыдущих экспериментов по ультразвуковому воздействию на мозг.
Текст: Анна Хоружая
Non-invasive in vivo acoustoelectric neuromodulation and its contribution to ultrasound stimulation by Jean L. Rintoul et al. in Nature Communications. Published June 2026
