低强度聚焦超声（LIFU）诱发神经元动作电位过程中的脑热响应机制与神经调控作用研究

　　本综述系统探讨低强度聚焦超声（LIFU）通过热效应与机械效应调控神经元活动的双路径机制。研究结合MetaNeuron电生理模型与Sim4Life多物理场仿真，首次在动作电位（AP）阈值水平捕捉到LIFU引发的微小温升（ΔT≈0.009°C）与力学扰动，为优化非侵入式神经调控技术提供了关键理论依据。

　　

Section snippets

Methods and materials

本研究结构如下方示意图所示。

Action potential

神经元静息膜电位为-65 mV。施加刺激能量后，膜电位去极化至-58 mV。通过动作电位模型，我们确定了诱发该状态转变所需的具体能量，产生动作电位的阈值为7 mV。图7显示静息期膜电位（黄色曲线）。暴露于外部刺激后，神经元进入去极化状态（红色曲线），最终达到动作电位发放的峰值。

Discussion

动作电位模型模拟揭示了成功引发动作电位所需的神经元刺激范围。该范围对确保有效的神经元激活至关重要。我们的模拟确定了将神经元从静息状态转换到主动去极化阶段所需的精确电压。结果表明，超出此阈值的任何额外能量或功率都是多余的，主要贡献于非必要的能量耗散。

Conclusion

本研究提出了一种新颖的整合仿真框架，将神经元兴奋性的生物物理模型与声学-热学超声仿真相结合。通过利用MetaNeuron确定引发动作电位所需的电压阈值，并将该阈值转化为等效声压，我们建立了一种基于生理学原理的方法，用于在Sim4Life中评估超声神经调控。该集成方法为理解神经调制机制提供了更全面的视角。

CRediT authorship contribution statement

Saeed Charbenny： 撰写-审阅编辑、原稿撰写、可视化、验证、资源、项目管理、方法论、调研、形式分析、数据整理、概念化。Zhihong Huang： 监督指导、资源支持。

Ethical Statement for Solid State Ionics

1）本材料为作者原创作品，未曾在其他出版物发表；

2）本文未同时投递其他期刊；

3）论文真实完整地反映了作者的研究与分析；

4）论文合理标注了合著者与研究合作者的贡献；

5）结果恰当地置于已有研究的背景下；

6）所有引用来源均正确披露（规范标注）。

Declaration of generative AI and AI-assisted technologies in the writing process

在本文撰写过程中，作者使用了[ChatGPT]以[优化文字表达]。使用该工具后，作者对内容进行了必要的审阅与编辑，并对发表文章的内容承担全部责任。

Funding sources

本研究未获得任何公共、商业或非营利领域资助机构的特定资助。

Declaration of competing interest

作者声明不存在已知的竞争性财务利益或个人关系影响本研究结果。

Acknowledgements

作者感谢Sim4Life团队提供仿真软件支持，同时感谢邓迪大学与约克大学为本研究提供的资源保障。