源可定位機理概述

源可定位是指神經調控誘發的皮層活動在空間上與物理刺激靶區高度一致，并通過 EEG 源成像（dSPM）客觀驗證。本文中，靶區 ROI 由超聲換能器放置位置（電極 C1、C3、FC1、FC3 之間的空隙，圖1B）正交投影至皮層定義。實現源可定位需同時具備三個要素：一是存在空間特異性的亞閾值調節能力（毫米級）；二是存在持續的、非時間鎖定的膜電位基線偏移，將亞閾值信號“放大”為超閾值輸出；三是避免來自非靶區（如聽覺通路）的超閾值響應掩蓋靶區信號。驗證方法包括傳感器層面的置換聚類檢驗（比較同側與對側 ROI 電極在 0–200 ms 窗口的差異，圖2B）和源層面的 dSPM 活動對比（圖3B），并通過最高活動點與 ROI 的歐氏距離量化空間精度。

圖1 實驗方法與刺激參數示意

圖1展示了本研究的整體實驗設計與技術參數。

圖1A為實驗范式示意圖：受試者在閉眼靜息狀態下接受三種刺激條件——單獨 tFUS、單獨 HD?tDCS（含空間對照超聲）、以及 tEAS（tFUS 與 HD?tDCS 同時施加）。

圖1B為電極與換能器布局圖：4×1 高精度 tDCS 電極（中心電極位于 ROI 上方，四個返回電極環繞）與超聲換能器（固定于 EEG 電極 C1、C3、FC1、FC3 之間）的相對位置，同時展示 EEG 電極分布。

圖1C為超聲換能器的自由水掃描結果，顯示其聚焦區半高寬（FWHM）為 5 mm（–6 dB），證實 tFUS 的毫米級空間精度。

圖1D為刺激時序參數：500 kHz 基頻超聲以 2 秒為間隔（含隨機抖動）施加 200 個試次，脈沖重復頻率（PRF）設為 30 Hz（抑制性）或 3 kHz（興奮性），占空比固定為 30%，串長 500 ms，tDCS 在整個試次中持續接通。

圖1為后續所有實驗結果的解釋提供了技術基礎。

HUIYING

tFUS 不能實現源可定位概述

單獨 tFUS 在靜息態人腦中同時表現出兩種屬性。一是聽覺通路的超閾值效應：3 kHz PRF 誘發 30、90、170 ms 的 ERP（圖2A），無論靶向左側運動皮層還是右側前額葉，波形與地形圖均高度相似（圖4B.i），Bayes 因子分析證實二者統計相同（圖4B.iii），Granger 因果顯示初級聽覺皮層→深部腦區的凈信息流顯著增強（圖4C）。二是靶向皮層的亞閾值調節能力：超聲壓力波打開壓電離子通道產生微小去極化（修正 Hodgkin?Huxley 模型模擬，圖6B），雖在 EEG 上無法直接檢測，但 itFUS 條件下出現 ROI 與深部腦區間的譜連接解離提示其對靶區網絡產生了局部影響。然而，由于聽覺通路的超閾值響應淹沒了靶區信號，源成像顯示同側 ROI 源活動與對側無顯著差異（圖3B），最高活動點與 ROI 距離達 73 mm（etFUS）和 23 mm（itFUS），因此單獨 tFUS 無法實現源可定位。

圖2 tEAS 誘導半球特異性外源性 ERP 響應

圖2從EEG 傳感器層面證明 tEAS 可產生半球特異性的外源性響應。

圖2A為各條件下預處理的 EEG 蝴蝶圖，顯示 3 kHz PRF 條件（etFUS、etDCS、etEAS）均出現 30、90、170 ms 三個明顯的 ERP 波峰，但僅 tEAS 呈現偏側化特征。

圖2B為置換聚類檢驗（0–200 ms 窗口，比較同側 ROI 電極 C1、C3、FC1、FC3 與對側同源電極）結果：僅 tEAS（etEAS 和 itEAS）出現顯著差異聚類（白色圓圈），且兩個條件共享 10–63 ms 時間窗口（灰色陰影），而 tFUS 和 tDCS 單獨均無顯著聚類。

圖2C為10–63 ms 窗口平均后的地形圖，tEAS 呈現明顯的同側 ROI 聚集（電極 C3 處活動最強），而其他條件呈對稱分布。

圖2D為電極C3 極性分析（McNemar 檢驗）：itEAS 與 etEAS 在 C3 上產生極性相反的響應，而 tFUS 與 tDCS 單獨均無極性效應。

圖2首次從傳感器層面揭示 tEAS 的特異性效應，并確定后續源成像分析的時間窗口（10–63 ms）。

HUIYING

HD?tDCS 不能實現源可定位的概述

單獨 HD?tDCS僅具備亞閾值調節能力：陽極或陰極刺激均未在 0-200 ms 窗口產生與刺激時間鎖定的 ERP（圖2B，無顯著聚類），不激活聽覺通路，僅通過恒定電場使靜息膜電位持續去極化（陽極）或超極化（陰極）（修正 Hodgkin?Huxley 模型模擬，圖6C）。其空間精度雖優于傳統 tDCS，但仍局限在厘米級，受容積傳導影響顯著。源成像顯示，單獨 tDCS 條件下同側 ROI 源活動與對側無顯著差異（圖3B），最高活動點與 ROI 距離達 73 mm（etDCS）和 26 mm（itDCS），因此自身無法實現源可定位。但它在 tEAS 中扮演關鍵角色：提供持續的膜電位基線偏移，且其極性決定了 tEAS 響應的符號——在 tEAS 中陽極與陰極條件于電極 C3 上產生極性相反的響應（圖2D），而 tFUS 單獨無此極性效應）。

圖3 tEAS 誘導源可定位的皮層響應

圖3從EEG 源成像層面證明 tEAS 可產生與物理靶區空間重合的皮層激活。

圖3A為群體平均源圖（dSPM，10–63 ms 窗口平均），黑色方框為 ROI（由電極 C1、C3、FC1、FC3 正交投影至皮層定義）。etEAS 與 itEAS 的最高活動區域完全落在 ROI 內，而 tFUS 與 tDCS 單獨的最高活動位于聽覺皮層或呈彌散分布。

圖3B為同側與對側 ROI 源活動統計對比（單尾置換 t 檢驗，FDR 校正）：etEAS 同側（2.59 ± 1.18 zdSPM）顯著高于對側（1.62 ± 0.63 zdSPM）；itEAS 同側（2.40 ± 1.08 zdSPM）顯著高于對側（1.22 ± 0.45 zdSPM）；tFUS 與 tDCS 單獨均無顯著差異。

圖3是全文的核心證據，證實 tEAS 是唯一能在靜息態人腦中實現源可定位皮層激活的刺激范式。

HUIYING

tEAS（tFUS + HD?tDCS）實現源可定位的

機理概述

tEAS 實現源可定位的核心機制是非線性協同，將tFUS 的空間特異性亞閾值調節與tDCS 的持續基線偏移疊加，轉化為靶區的超閾值輸出。修正 Hodgkin?Huxley 模型（圖6A）在傳統鈉、鉀通道外增加壓電離子通道，模擬顯示：單獨超聲（壓電電流）使膜電位升高但未達閾值（圖6B）；單獨直流電使膜電位偏移但未達閾值（圖6C）；二者同時施加時，膜電位在超聲脈沖時刻超過閾值，產生動作電位（圖6D-F）。實驗驗證包括：傳感器層面僅 tEAS 出現同側與對側 ROI 電極的顯著差異聚類（圖2B），10–63 ms 窗口平均后地形圖呈現明顯的同側 ROI 聚集（圖2C）；源成像層面，群體平均源圖顯示最高活動區域完全落在 ROI（黑色方框）內（圖3A），同側 ROI 源活動顯著高于對側，最高點與 ROI 距離為 0 mm；且該效應無法通過線性疊加 tFUS 與 tDCS 的單獨效應復現（圖5B），極性由 tDCS 主導且與 tFUS 的 PRF 無關，證明其為非線性協同而非線性相加。

HUIYING

tEAS（tFUS + HD-tDCS）源可定位應用概述

tEAS 作為一種新型非侵入性精準神經調控范式，在基礎研究與臨床轉化中具有獨特價值。在基礎研究方面，它可在毫秒級時間精度、毫米級空間精度上激活特定皮層區域，用于檢驗"腦區→行為"的因果關系（優于 TMS 的空間精度和 tDCS 的時間控制），其誘發的時間鎖定響應可作為"擾動源"結合 EEG 源成像計算有效連接。在臨床轉化方面，可精準刺激卒中后病灶周圍殘存皮層促進神經可塑性，精準靶向抑郁癥患者的左側背外側前額葉避免傳統 tDCS 的電流彌散，以及靶向前扣帶回或眶額皮層治療強迫癥/成癮——這些區域較小且深，tEAS 的毫米級精度具有顯著優勢。此外，tEAS 可作為腦機接口的穩定"外部激活指令"，產生時間鎖定、空間精確的皮層信號用于校準或增強控制。其技術優勢包括超聲物理聚焦（5 mm 半高寬，圖1C）帶來的空間精度、每個超聲脈沖均可穩定引發放電帶來的時間鎖定性、壓電通道+膜電位偏移的透明機制（修正 Hodgkin?Huxley 模型支持），以及 EEG 源成像可在線驗證靶區激活的閉環調控能力。

HUIYING

臨床研究

研究方法

受試者：27 名健康志愿者（核心隊列），另有擴展隊列用于參數優化與可重復性驗證（共 11+11+6+8 人）。所有受試者簽署知情同意書，實驗經 Advarra 機構審查委員會批準。

MRI 與導航：個體 T1?MRI（3T）用于源成像頭模型與超聲導航（Localite TMS Navigator）。Sim4Life 仿真計算在體壓力（核心隊列均值 231 kPa，范圍 48.6–372 mW/cm2 ISPTA.T），所有參數控制在 FDA 安全指南范圍內。

刺激參數：tFUS 為 500 kHz 基頻，PRF 30 Hz/3 kHz（擴展至 40、1500、30000 Hz），占空比 30%（擴展至 0.6%、10%、60%，60% 因熱感中止），串長 500 ms（壓力增強時 100 ms）。HD?tDCS 為 4×1 環形電極，電流根據個體感知閾值設定（最大 2 mA，均值 1.09 ± 0.52 mA），陽極/陰極，持續接通。tEAS 為二者同時施加。

EEG 記錄與處理：64 通道 EEG（BrainCap TMS），1–40 Hz 濾波，獨立成分分析去偽跡，共平均參考。源成像采用 dSPM，噪聲協方差來自基線窗口（–500 至 –100 ms）。統計分析包括置換聚類檢驗、置換 t 檢驗、Bayes 因子、Granger 因果等。

研究結果:

安全性與耐受性：60% 占空比時 4/4 受試者出現頭皮熱感，實驗中止；300 kPa 壓力時 2/11 受試者（18.2%）出現頭皮熱感，中止；其余參數均良好耐受。

單獨 tFUS 無法實現源可定位：3 kHz PRF 誘發 30、90、170 ms ERP（圖2A），但靶向不同腦區時波形相同（圖4B.i），Bayes 因子證實統計相似（圖4B.iii）。Granger 因果顯示 A1→深部腦區信息流顯著增強，而 ROI→深部腦區無變化（圖4C）。源成像顯示同側與對側 ROI 源活動無差異（圖3B），最高點距 ROI 73 mm（etFUS）和 23 mm（itFUS）。參數擴展（PRF 40、1500 Hz，占空比 0.6%、10%）及壓力增強（300 kPa）均未改善。

圖4 tFUS 誘導的聽覺通路超閾值響應

圖4證明單獨 tFUS 的 ERP 源于聽覺通路，與靶區位置無關。

圖4A為3 kHz PRF tFUS（etFUS）在 20-40、80-100、160-180 ms 三個 ERP 峰值的 EEG 地形圖與源成像圖：地形圖呈對稱分布，源成像顯示活動位于聽覺皮層或深部腦區，而非靶區 ROI。

圖4B為靶區對比實驗：將 tFUS 分別作用于左側運動皮層（LH M1）與右側前額葉（RH PFC），圖4Bi顯示二者波形與地形圖高度相似；圖4Bii為置換聚類檢驗，無顯著差異聚類；圖4Biii為Bayes 因子分析（log?? BF < 0 支持零假設），在 10-63、20-40、80-100 ms 窗口所有電極均提供穩健證據支持兩種條件響應相同，160-180 ms 窗口對中?大效應量仍支持相同。

圖4C為Granger 因果分析：etFUS 與 itFUS 均顯著增強初級聽覺皮層（A1）→深部腦區的凈信息流，而 ROI→深部腦區無顯著變化。

圖4闡明單獨 tFUS 的“超閾值效應”本質上是聽覺通路激活，而非靶區皮層刺激。

單獨 HD?tDCS 無法實現源可定位：無時間鎖定 ERP（圖2B），源成像顯示同側與對側 ROI 源活動無差異（圖3B），最高點距 ROI 73 mm（etDCS）和 26 mm（itDCS）。

tEAS 穩定實現源可定位：置換聚類檢驗顯示僅 tEAS 出現同側與對側 ROI 電極顯著差異（圖2B），10–63 ms 窗口地形圖呈現同側 ROI 聚集（圖2C）。源成像顯示最高活動區域完全落在 ROI 內（圖3A），同側 ROI 源活動顯著高于對側，最高點與 ROI 距離為 0 mm。極性由 tDCS 主導（圖2D），與 PRF 無關。該效應非疊加（圖5B），7天洗脫后仍可重復。

圖5 tEAS 效應非疊加，非 tDCS 劑量線性相關

圖5通過三項分析證明tEAS 的非線性協同機制。

圖5A?B將tFUS 與 tDCS 單獨條件下的源活動線性相加，無法復現 tEAS 的同側增強效應（p > 0.05）。

圖5C?E回歸分析顯示 tEAS 的 ROI 響應與 tFUS 強度、tDCS 頭皮電流、tDCS 皮層電流均無顯著線性相關（R2 < 0.05，p > 0.05）。

圖5排除“tEAS 僅為兩種刺激線性疊加”或“效應由劑量簡單決定”的可能性，支持非線性協同機制。

機制模型驗證：修正 Hodgkin?Huxley 模型顯示，單獨超聲或單獨直流電均不引發動作電位，二者同時施加時超過閾值產生放電（圖6D–F）。

圖6 修正 Hodgkin?Huxley 模型模擬壓電?直流協同

圖6通過修正Hodgkin?Huxley模型，為tEAS的非線性協同機制提供了生物物理層面的驗證。

圖6A在傳統鈉、鉀、漏通道基礎上并聯增加一個壓電離子通道，其開放概率隨超聲壓力變化，模擬tFUS的機械敏感性。

圖6B顯示單獨施加模擬tDCS的亞閾值直流電（陽極或陰極），膜電位發生持續偏移但未達動作電位閾值；

圖6C顯示單獨施加模擬tFUS的壓電電流（超聲脈沖），膜電位發生短暫去極化同樣未達閾值。

圖6D將陽極直流電（去極化偏移）與超聲壓電電流同時施加，膜電位在超聲脈沖期間超過閾值產生動作電位，模擬etEAS的協同效應；

圖6E將陰極直流電（超極化偏移）與超聲壓電電流同時施加，膜電位上升但仍低于閾值，對應itEAS在單次模擬中可能低于閾值的情況（實驗中發現itEAS仍有響應但極性相反）。

圖6F放大顯示圖6D的動作電位波形，清晰展示快速去極化與復極化過程。該模型證明：單獨tFUS或tDCS均僅為亞閾值調節，二者協同時可通過非線性疊加轉化為超閾值輸出，且極性由tDCS主導，與實驗結果高度一致。

HUIYING

總結

本研究系統闡明了 tFUS 與 HD?tDCS 在靜息態人腦中的作用機制，并首次證明二者協同（tEAS）可實現源可定位的皮層激活。單獨 tFUS 具有聽覺通路的超閾值效應（30、90、170 ms ERP，A1→深部腦區 Granger 因果顯著）和靶向皮層的亞閾值調節能力（壓電通道開放），但因聽覺響應淹沒靶區信號而無法實現源可定位（同側 vs. 對側 ROI 源活動無差異，最高點距 ROI 73/23 mm）。單獨 HD?tDCS 僅提供持續的膜電位基線偏移（亞閾值調節），空間精度有限（厘米級），同樣無法實現源可定位（同側 vs. 對側無差異，最高點距 ROI 73/26 mm）。tEAS 通過非線性協同機制——tFUS 的脈沖式壓電電流（空間特異性，毫米級）與 tDCS 的持續基線偏移疊加——將亞閾值調節轉化為超閾值輸出，在傳感器層面（僅 tEAS 出現同側 vs. 對側顯著差異聚類，圖2B）、地形圖（同側 ROI 聚集，圖2C）和源成像層面（最高活動點與 ROI 重合，圖3A；同側源活動顯著高于對側，Cohen’s d > 1.0，圖3B）均獲得一致驗證，且該效應非疊加、極性由 tDCS 主導、與 PRF 無關、可重復性良好。修正Hodgkin?Huxley 模型（圖6）為這一協同機制提供了生物物理基礎。該研究為精準非侵入性神經調控提供了機制透明、空間物理聚焦（5mm半高寬，圖1C）、時間精確可控（毫秒級鎖定）的新范式，在認知神經科學、神經康復和精神疾病干預領域具有重要的基礎與轉化價值。