調(diào)幅經(jīng)顱電刺激AM-tACS:突破傳統(tǒng)tACS的頻譜困局

傳統(tǒng)tACS的偽影困境

經(jīng)顱交流電刺激（tACS）作為非侵入性腦刺激技術(shù)，通過在頭皮施加與生理節(jié)律同步的交變電流來調(diào)節(jié)神經(jīng)振蕩活動。然而該技術(shù)面臨根本性限制：當(dāng)刺激頻率（如10Hz）與目標(biāo)神經(jīng)振蕩頻率（如alpha節(jié)律）重疊時，產(chǎn)生的強電磁偽影會完全掩蓋目標(biāo)腦電信號。這種頻譜重疊現(xiàn)象使研究人員無法在刺激期間實時記錄神經(jīng)活動，嚴重阻礙了對tACS在線作用機制的研究。

更復(fù)雜的問題在于硬件系統(tǒng)的非線性傳輸特性。通過系統(tǒng)測試揭示：即使采用理論無偽影的AM-tACS技術(shù)，刺激和記錄設(shè)備的微弱非線性（如數(shù)模轉(zhuǎn)換器、電流刺激器、EEG/MEG放大器等）仍會在調(diào)制頻率處重新引入雜散低頻偽影。研究人員測量了四種典型實驗系統(tǒng)的輸入-輸出傳遞函數(shù)，采用六階多項式回歸模型進行擬合：

V_out =β_6*V_in^6 +β_5*V_in^5 +β_4*V_in^4 +β_3*V_in^3 +β_2*V_in^2 +β_1*V_in +β_0

所有系統(tǒng)的非線性項系數(shù)均顯著偏離零值（p<0.004），導(dǎo)致在記錄AM-tACS信號時，調(diào)制頻率f_m及其諧波處出現(xiàn)可測量的偽影。這些偽影幅度雖小（通常比載波頻率信號低2-3個數(shù)量級），但在敏感的分析中可能與真實的神經(jīng)調(diào)制效應(yīng)混淆。

（左列）使用簡化的傳遞函數(shù)（TF）對數(shù)字調(diào)幅（AM）信號進行評估所得的頻譜

AM-tACS的理論突破

為破解上述困局，研究者提出調(diào)幅經(jīng)顱交流電刺激（AM-tACS） 的創(chuàng)新方案。該技術(shù)采用獨特的雙頻設(shè)計：

高頻載波（f_c >150 Hz，典型值220 Hz）：由于神經(jīng)元細胞膜的低通濾波特性（截止頻率約100-200 Hz），該成分被顯著衰減

低頻包絡(luò)（f_m，如10 Hz alpha頻段）：穿透細胞膜并調(diào)制神經(jīng)活動

AM-tACS雙頻刺激方案

其核心理論優(yōu)勢在于頻譜分離：AM信號的能量僅分布在載波頻率f_c和兩個邊帶f_c±f_m處，在調(diào)制頻率f_m處理論功率為零。這種設(shè)計使刺激偽影從目標(biāo)頻段移出，為實時記錄刺激期間的神經(jīng)活動創(chuàng)造了可能。

"通過將刺激偽影轉(zhuǎn)移到更高頻段，AM-tACS優(yōu)雅地避免了與目標(biāo)腦振蕩的頻譜重疊問題"

HUIYING

原理機制：從電場生成到神經(jīng)解碼

波形設(shè)計與電場分布

AM-tACS的數(shù)學(xué)表達式精確描述了其時空特性：

AM_signal(t) = a_stim×[sin(2π·f_c·t) + sin(2π·(f_c + f_m)·t)] / 2

其中f_c為載波頻率（典型值200-1000 Hz），f_m為調(diào)制頻率（與目標(biāo)振蕩匹配，如10 Hz）。值得注意的是，這種波形與時域干擾刺激（TI） 存在本質(zhì)關(guān)聯(lián)：TI通過兩路高頻電場（如2000Hz與2010Hz）在深部腦區(qū)干涉形成等效AM波形。

電流流向、大腦前后方向的電場強度空間分布和調(diào)幅空間分布

電場分布特性呈現(xiàn)顯著空間差異：

皮層區(qū)域：主要承受高強度非調(diào)制電場（高達80 V/m）

深部腦區(qū)：形成高調(diào)幅度（>50%）的AM電場

穿透效率：隨載波頻率升高而降低（1 kHz載波需比100 Hz高12倍電場強度）

神經(jīng)響應(yīng)機制

生物物理解碼過程

神經(jīng)元對AM信號的響應(yīng)依賴于細胞膜的低通濾波特性：高頻載波成分被細胞膜電容顯著衰減（衰減程度與頻率成反比）；低頻包絡(luò)穿透膜屏障，通過膜電位極化影響神經(jīng)元放電；

極化效應(yīng)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中放大，最終夾帶目標(biāo)振蕩。

計算模型清晰展示了這一過程：當(dāng)采用f_c=70 Hz載波時，10 Hz調(diào)制波能有效鎖定網(wǎng)絡(luò)振蕩相位（PLV=0.64）；而f_c=200 Hz時，相同刺激強度下PLV降至0.03。這種差異源于膜濾波對高頻成分的衰減。

衰減程度與頻率成反比

軸突的關(guān)鍵作用

最新研究發(fā)現(xiàn)軸突是AM信號解碼的核心單元：

時間常數(shù)短：軸突膜時間常數(shù)（τ_m≈1 ms）遠小于胞體（τ_m≈20 ms），能響應(yīng)kHz級載波

極化效率高：單位電場產(chǎn)生的軸突極化強度是胞體的4倍

網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)效應(yīng)：軸突激活觸發(fā)突觸傳遞變化，最終調(diào)制網(wǎng)絡(luò)振蕩

偽影生成機制與對策

盡管AM-tACS理論設(shè)計優(yōu)越，硬件非線性仍是實際應(yīng)用的瓶頸。可通過六階多項式模型量化非線性失真：

V_out =β_6·V_in^6 +β_5·V_in^5 +β_4·V_in^4 +β_3·V_in^3 +β_2·V_in^2 +β_1·V_in +β_0

各系數(shù)統(tǒng)計顯著（p<0.004），其效應(yīng)表現(xiàn)為：

偶次項（β_2,β_4,β_6）：產(chǎn)生調(diào)制頻率f_m的諧波

奇次項（β_3,β_5）：在載波頻率f_c周圍產(chǎn)生邊帶

HUIYING

研究成果：從細胞機制到系統(tǒng)效應(yīng)

鎖相效能與載波頻率的權(quán)衡

研究通過計算模型系統(tǒng)揭示了AM-tACS的頻率-效能矛盾。研究采用包含800個興奮性神經(jīng)元和250個抑制性神經(jīng)元的網(wǎng)絡(luò)模型，模擬不同載波頻率下的相位鎖定值（PLV）：

神經(jīng)元的網(wǎng)絡(luò)模型

tACS和AM-tACS的相位鎖定對比

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：

維持同等PLV（0.6）需電流：f_c=200 Hz時比f_c=70 Hz高42%

能量傳遞效率隨載波頻率升高呈指數(shù)衰減

最優(yōu)載波范圍：70-100 Hz（平衡偽影控制與神經(jīng)激活）

能量傳遞

劑量閾值與GABA_B的關(guān)鍵作用

通過離體海馬切片實驗量化了AM-tACS的生物效應(yīng)閾值。在卡巴膽堿誘導(dǎo)的γ振蕩（20-40 Hz）模型中，測量不同載波頻率下顯著調(diào)制振蕩所需的最小電場強度：

海馬體外實驗中γ 功率的調(diào)制

研究進一步發(fā)現(xiàn)GABA_B受體介導(dǎo)的抑制在選擇性調(diào)控中起核心作用：增強深部腦區(qū)對AM電場的動態(tài)響應(yīng)（+40%調(diào)制深度）；抑制皮層區(qū)對非調(diào)制電場的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)；移除GABA_B抑制使深部選擇性降低50%。

HUIYING

應(yīng)用領(lǐng)域

神經(jīng)精神疾病精準(zhǔn)干預(yù)

振蕩障礙治療

帕金森病：靶向基底節(jié)病理性beta振蕩（13-30 Hz）

精神分裂癥：糾正前額葉gamma同步缺陷（40 Hz）

抑郁癥：調(diào)節(jié)前額葉alpha不對稱性

認知功能增強

工作記憶：相位鎖定背外側(cè)前額葉theta振蕩（4-8 Hz）

視覺注意：增強頂枕葉alpha節(jié)律（8-12 Hz）

運動學(xué)習(xí)：耦合感覺運動區(qū)beta-gamma振蕩

HUIYING

回映產(chǎn)品

1.便攜式HD-tES

回映便攜式高精度經(jīng)顱電刺激儀(HD-tES)創(chuàng)新地采用type-C轉(zhuǎn)生物電極的設(shè)計使得產(chǎn)品能夠非常便捷地被使用。回映便攜式高精度經(jīng)顱電刺激儀(HD-tES)通過多電極配置(1個中心電極和4個返回電極)實現(xiàn)高精度電流聚焦,精準(zhǔn)刺激目標(biāo)腦區(qū)。其核心優(yōu)勢在于通過縮小電極尺寸(直徑12mm的環(huán)形電極)和增加電極數(shù)量,顯著提升刺激的聚焦性和精準(zhǔn)性。

HD-otDCS 模式：疊加振蕩電流于直流偏置，同步調(diào)節(jié)神經(jīng)元興奮性與節(jié)律性活動，高密度電極提升空間精度，頻率特異性與個體化參數(shù)優(yōu)化共振效應(yīng)。

HD-tDCS模式：調(diào)節(jié)皮層興奮性,適用于中風(fēng)康復(fù)、抑郁癥干預(yù)等。

HD-tACS模式：精準(zhǔn)鎖定腦電頻段(如β-γ頻段改善強迫癥,4Hz增強工作記憶)適配認知障礙治療等。

HD-tRNS模式：HD-tRNS 對顯式和隱式計時任務(wù)的影響不同,用于研究大腦的計時機制和時間處理能力等。

調(diào)幅經(jīng)顱交流電刺激模式（Amplitude-Modulated Transcranial Alternating Current Stimulation）：通過載波頻率（Carrier Frequency）與調(diào)幅頻率（AM Frequency）的協(xié)同作用，實現(xiàn)對目標(biāo)腦區(qū)特定低頻神經(jīng)振蕩（如Delta、Theta、Alpha波）的節(jié)律性夾帶（Entrainment），并精準(zhǔn)調(diào)控跨頻耦合（Cross-Frequency Coupling, CFC）機制（如Theta-Gamma相位-振幅耦合），以優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的同步性與功能連接。

適用范圍:神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療，意識障礙和認知功能調(diào)節(jié)，康復(fù)治療，運動和認知功能恢復(fù)。認知增強、工作記憶優(yōu)化及精神分裂癥、抑郁癥等神經(jīng)精神疾病的網(wǎng)絡(luò)同步性調(diào)節(jié)。

回映便攜式HD-TES設(shè)備示意圖

回映自研type-C轉(zhuǎn)生物電極示意圖

基本參數(shù)

刺激強度：-2mA~2mA 連續(xù)可調(diào)，調(diào)節(jié)分辨率0.01mA，輸出電流誤差 <=±10%；

刺激時間：0~60min 可調(diào)；

刺激頻率：針對于 tPCS/tACS 模式，1Hz ～ 99Hz范圍內(nèi)可調(diào)，頻率步進1Hz， 輸出頻率誤差<=±5%；

淡入淡出時間：0~120s 可調(diào)，確保刺激的安全性；

脫落檢測：通過實時阻抗檢測分析電極脫落狀態(tài)確保刺激有效性；

相位同步：<=±2.5us; <=0.09°；

2.手持式tES

經(jīng)顱電刺激調(diào)控設(shè)備采用低強度的電流（±2mA以內(nèi))對大腦皮層的靶區(qū)域進行刺激，進而達到調(diào)節(jié)大腦皮層神經(jīng)元興奮性、調(diào)節(jié)腦電波節(jié)律、促進神經(jīng)重塑和修復(fù)、改善腦部供血等。

震蕩經(jīng)顱直流電刺激(otDCS)：改善認知功能、增強聯(lián)想記憶，逆轉(zhuǎn)輕度認知障礙患者的情景記憶衰退等

經(jīng)顱直流電刺激(tDCS)：治療精神分裂癥、抑郁癥、物質(zhì)成癮、阿爾茨海默病、腦卒中后的運動功能障礙、語言障礙、認知障礙等

經(jīng)顱交流電刺激(tACS )：治療視功能障礙、認知障礙,提高學(xué)習(xí)能力、工作記憶等

經(jīng)顱脈沖電刺激(tPCS)：增強運動技能,緩解疲勞,促進知覺學(xué)習(xí)任務(wù)、算術(shù)任務(wù)，調(diào)節(jié)注意力切換任務(wù)的準(zhǔn)確性,改善帕金森病患者的步態(tài)平衡等

經(jīng)顱隨機噪聲刺激(tRNS)：治療耳鳴,提高工作記憶、認知能力等

調(diào)幅經(jīng)顱交流電刺激模式（Amplitude-Modulated Transcranial Alternating Current Stimulation）：通過載波頻率（Carrier Frequency）與調(diào)幅頻率（AM Frequency）的協(xié)同作用，實現(xiàn)對目標(biāo)腦區(qū)特定低頻神經(jīng)振蕩（如Delta、Theta、Alpha波）的節(jié)律性夾帶（Entrainment），并精準(zhǔn)調(diào)控跨頻耦合（Cross-Frequency Coupling, CFC）機制（如Theta-Gamma相位-振幅耦合），以優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的同步性與功能連接。

適應(yīng)癥：焦慮、抑郁、失眠、癲癇、強迫癥、注意缺陷多動障礙、鞏固記憶、運動控制等。認知增強、工作記憶優(yōu)化及精神分裂癥、抑郁癥等神經(jīng)精神疾病的網(wǎng)絡(luò)同步性調(diào)節(jié)。

回映便攜式tES設(shè)備示意圖

基本參數(shù)

刺激強度：10mA~30mA 連續(xù)可調(diào)，調(diào)節(jié)分辨率0.01mA，輸出電流誤差<=±10%

刺激頻率:1Hz~99Hz 范圍內(nèi)可調(diào)，頻率步進為 1Hz，輸出頻率誤差 <=±5%

載波頻率:2KHz~100KHz 范圍內(nèi)可調(diào)，頻率步進為 1KHz，輸出頻率誤差 <=±1%

刺激時間：0~60min可調(diào)

淡入淡出時間：0~120s 可調(diào)，確保刺激的安全性

脫落檢測:通過實時阻抗檢測分析電極脫落狀態(tài)確保刺激有效性