超聲波的頻率低於人耳感知範圍，但其作為診斷手段，可以用來探測腫瘤或者胎兒。6月24日《科學》網站刊登新聞稱，超聲波還能穿透頭骨促進或抑制大腦活動。神經科學家對超聲波有著更大的期望：成為一種強大的、非侵入性的研究工具和治療大腦疾病的新手段。不過，這仍有待證明，一則超聲療法得具備安全性，第二其能夠可預見地改變人類大腦功能。
《科學》網站稱，超聲波如何作用於大腦仍然是個謎。但最近的實驗為安全性提供了保證，小型研究也顯示其對人類大腦確實具有影響。比如超聲波可以減輕疼痛，或者微妙地增強人類的感知能力。「我見過很多非常棒的數據，」加州大學洛杉磯分校(UCLA)的神經科學家馬克·科恩(Mark Cohen)說，「儘管挑戰很大，但這項技術的潛力要大得多，所以我們必須繼續努力。」
此前通過在顱骨上傳遞電流或磁脈衝，科學家已經可以通過非侵入性的手段來調節大腦。美國FDA已經批准經顱磁刺激(TMS)用於治療抑鬱症、偏頭痛和強迫症。
與磁場、電場不同的是，聲波可以像放大鏡聚焦光一樣，聚焦在大腦深處的某一點上，而不會影響大腦的淺表組織。此前，人類要達到這種深度和聚焦的結合效果，只有通過手術植入金屬絲才能實現。但是超聲波可以暫時改變人腦的深層區域，例如能對情緒反應產生驅動的杏仁體，或者疼痛的中繼站和警覺的調節功能區腦丘，來測試超聲波的功能或治療疾病。
神經科學家在動物實驗中已取得了一定的進展。1950年代的實驗首次表明，超聲波可以抑制貓大腦視覺區域的神經活動。在嚙齒類動物中，將超聲波對準運動區域會引發爪子或鬍鬚的抽搐等。將注意力集中在猴子大腦的額葉區域，可以改變動物完成眼部運動任務的方式。
一些研究表明，超聲波改變了神經元上的離子通道，改變了細胞向周圍細胞發出信號的可能性。夏皮羅說，如果超聲波主要通過離子通道工作這是個好消息，「因為這意味著我們可以觀察這些通道在哪裡表達，並預測哪些細胞類型會被激發。」
在上個月bioRxiv上的預印本中，夏皮羅的團隊報告說，將培養皿中的老鼠神經元暴露於超聲波之下，會打開一組特殊的鈣離子通道，從而使某些細胞更容易興奮。
但是，哈佛大學的神經學家Seung-Schik Yoo對《科學》網站表示，單靠這些通道無法解釋超聲波的作用。他指出，超聲波似乎也會影響被稱為膠質細胞的非神經元性腦細胞的受體。他說:「很難發展出關於超聲波確切機制的統一理論。」
不管機制如何，超聲波已經開始在人類身上顯示出清晰的，即使是細微的影響。2014年，維吉尼亞理工學院和維吉尼亞州立大學的團隊表明，聚焦超聲可以增強人腦感覺處理區域的電活動，提高參與者辨別手指觸碰點數的能力。
牛津大學的神經學家克里斯多福·巴特勒及其同事在一項更為複雜的感官任務中測試了超聲波：判斷屏幕上飄忽不定、抖動的小點的運動。上個月，在認知神經科學學會的在線年會上，他報告說，刺激被稱為MT的動作處理視覺區域，可以提高受試者判斷多數圓點漂移方向的能力。
有幾個團隊正在謹慎地將超聲波作為治療手段進行測試。2016年，加州大學洛杉磯分校神經科學家馬丁·蒙蒂和同事報告稱，一名處於最低意識狀態的男子在超聲刺激丘腦後恢復了意識。蒙蒂正在準備發表一項針對三個長期意識受損的人的後續研究。通過超聲波檢測，他們的反應能力在幾天內增強了——比預期的快得多，蒙蒂說，儘管這項研究沒有包括對照組。
這項研究和對癲癇患者的測試使用了由BrainSonix公司開發的超聲波設備。它的創始人是加州大學洛杉磯分校的神經精神病學家亞歷山大·拜斯特裡茨基。他希望超聲波可以破壞導致強迫症症狀的神經迴路。他說，麻薩諸塞州總醫院和貝勒醫學院的一個團隊正計劃使用BrainSonix設備在人類身上進行研究。
哥倫比亞大學生物醫學工程師Elisa Konofagou希望利用超聲波來治療老年痴呆症。在COVID-19中斷招募參與者之前，她和同事正在準備一項試點研究，將微小的充氣氣泡注入6名阿爾茨海默氏症患者的血液中，並用超聲波脈衝振蕩大腦血管中的微氣泡。這些振動產生的機械力可以暫時拉開這些血管內壁的細胞。研究人員希望打開血腦屏障可以幫助大腦清除有毒蛋白質。Konofagou的團隊和其他人也在探索這種超聲波微泡組合，將藥物送入大腦。
不過技術難題是如何精準定位：讓超聲波通過厚實的顱骨，確定其能量到達了預定的位置。同時，超聲波對大腦的影響也難以預測。它在多大程度上促進或抑制神經活動取決於許多參數，包括超聲波脈衝的時間和強度，甚至目標神經元本身的特徵。美國國家精神衛生研究所的精神病學家Sarah Hollingsworth Lisanby專注於究非侵入性神經調節。她對《科學》網站表示雖然結果令人振奮，但必須承認目前還有很多東西需要學習。
另外，研究人員對超聲波和腦細胞是如何相互作用的還一無所知。加州理工學院的生化工程師米哈伊爾·夏皮羅表示，「這是這個領域最重要的問題。」在高強度下，超聲波可以加熱並殺死腦細胞。事實上，神經外科醫生就經常利用這一特點來燒死大腦中導致震顫的部分。
美國的監管機構正限制對人類的臨床超聲研究，部分原因是超聲波有可能煮熟大腦，或者通過空化(在組織中產生微小氣泡)造成損害。2015年，有研究團隊在反覆接觸超聲波的綿羊大腦中發現了微出血，這是血管損傷的跡象。
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