超声波的频率低于人耳感知范围，但其作为诊断手段，可以用来探测肿瘤或者胎儿。6月24日《科学》网站刊登新闻称，超声波还能穿透头骨促进或抑制大脑活动。神经科学家对超声波有着更大的期望：成为一种强大的、非侵入性的研究工具和治疗大脑疾病的新手段。不过，这仍有待证明，一则超声疗法得具备安全性，第二其能够可预见地改变人类大脑功能。
《科学》网站称，超声波如何作用于大脑仍然是个谜。但最近的实验为安全性提供了保证，小型研究也显示其对人类大脑确实具有影响。比如超声波可以减轻疼痛，或者微妙地增强人类的感知能力。“我见过很多非常棒的数据，”加州大学洛杉矶分校(UCLA)的神经科学家马克·科恩(Mark Cohen)说，“尽管挑战很大，但这项技术的潜力要大得多，所以我们必须继续努力。”
此前通过在颅骨上传递电流或磁脉冲，科学家已经可以通过非侵入性的手段来调节大脑。美国FDA已经批准经颅磁刺激(TMS)用于治疗抑郁症、偏头痛和强迫症。
与磁场、电场不同的是，声波可以像放大镜聚焦光一样，聚焦在大脑深处的某一点上，而不会影响大脑的浅表组织。此前，人类要达到这种深度和聚焦的结合效果，只有通过手术植入金属丝才能实现。但是超声波可以暂时改变人脑的深层区域，例如能对情绪反应产生驱动的杏仁体，或者疼痛的中继站和警觉的调节功能区脑丘，来测试超声波的功能或治疗疾病。
神经科学家在动物实验中已取得了一定的进展。1950年代的实验首次表明，超声波可以抑制猫大脑视觉区域的神经活动。在啮齿类动物中，将超声波对准运动区域会引发爪子或胡须的抽搐等。将注意力集中在猴子大脑的额叶区域，可以改变动物完成眼部运动任务的方式。
一些研究表明，超声波改变了神经元上的离子通道，改变了细胞向周围细胞发出信号的可能性。夏皮罗说，如果超声波主要通过离子通道工作这是个好消息，“因为这意味着我们可以观察这些通道在哪里表达，并预测哪些细胞类型会被激发。”
在上个月bioRxiv上的预印本中，夏皮罗的团队报告说，将培养皿中的老鼠神经元暴露于超声波之下，会打开一组特殊的钙离子通道，从而使某些细胞更容易兴奋。
但是，哈佛大学的神经学家Seung-Schik Yoo对《科学》网站表示，单靠这些通道无法解释超声波的作用。他指出，超声波似乎也会影响被称为胶质细胞的非神经元性脑细胞的受体。他说:“很难发展出关于超声波确切机制的统一理论。”
不管机制如何，超声波已经开始在人类身上显示出清晰的，即使是细微的影响。2014年，弗吉尼亚理工学院和弗吉尼亚州立大学的团队表明，聚焦超声可以增强人脑感觉处理区域的电活动，提高参与者辨别手指触碰点数的能力。
牛津大学的神经学家克里斯托弗·巴特勒及其同事在一项更为复杂的感官任务中测试了超声波：判断屏幕上飘忽不定、抖动的小点的运动。上个月，在认知神经科学学会的在线年会上，他报告说，刺激被称为MT的动作处理视觉区域，可以提高受试者判断多数圆点漂移方向的能力。
有几个团队正在谨慎地将超声波作为治疗手段进行测试。2016年，加州大学洛杉矶分校神经科学家马丁·蒙蒂和同事报告称，一名处于最低意识状态的男子在超声刺激丘脑后恢复了意识。蒙蒂正在准备发表一项针对三个长期意识受损的人的后续研究。通过超声波检测，他们的反应能力在几天内增强了——比预期的快得多，蒙蒂说，尽管这项研究没有包括对照组。
这项研究和对癫痫患者的测试使用了由BrainSonix公司开发的超声波设备。它的创始人是加州大学洛杉矶分校的神经精神病学家亚历山大·拜斯特里茨基。他希望超声波可以破坏导致强迫症症状的神经回路。他说，马萨诸塞州总医院和贝勒医学院的一个团队正计划使用BrainSonix设备在人类身上进行研究。
哥伦比亚大学生物医学工程师Elisa Konofagou希望利用超声波来治疗老年痴呆症。在COVID-19中断招募参与者之前，她和同事正在准备一项试点研究，将微小的充气气泡注入6名阿尔茨海默氏症患者的血液中，并用超声波脉冲振荡大脑血管中的微气泡。这些振动产生的机械力可以暂时拉开这些血管内壁的细胞。研究人员希望打开血脑屏障可以帮助大脑清除有毒蛋白质。Konofagou的团队和其他人也在探索这种超声波微泡组合，将药物送入大脑。
不过技术难题是如何精准定位：让超声波通过厚实的颅骨，确定其能量到达了预定的位置。同时，超声波对大脑的影响也难以预测。它在多大程度上促进或抑制神经活动取决于许多参数，包括超声波脉冲的时间和强度，甚至目标神经元本身的特征。美国国家精神卫生研究所的精神病学家Sarah Hollingsworth Lisanby专注于究非侵入性神经调节。她对《科学》网站表示虽然结果令人振奋，但必须承认目前还有很多东西需要学习。
另外，研究人员对超声波和脑细胞是如何相互作用的还一无所知。加州理工学院的生化工程师米哈伊尔·夏皮罗表示，“这是这个领域最重要的问题。”在高强度下，超声波可以加热并杀死脑细胞。事实上，神经外科医生就经常利用这一特点来烧死大脑中导致震颤的部分。
美国的监管机构正限制对人类的临床超声研究，部分原因是超声波有可能煮熟大脑，或者通过空化(在组织中产生微小气泡)造成损害。2015年，有研究团队在反复接触超声波的绵羊大脑中发现了微出血，这是血管损伤的迹象。
