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Frontiers综述：一种新型的非侵入式脑刺激技术——时间相干电刺激

来源：萌宠菠菠乐园时间：2024-10-16 05:18

　　近年来，神经调控技术在脑部疾病治疗方面显现出巨大的应用潜力，为患者提供了新的治疗选择，有着巨大的发展潜力。2017年，Boyden团队在《Cell》上发表文章，提出了一种新型的非侵入式脑刺激方法：“时间相干”（Temporally Interfering, TI）电刺激方法。TI电刺激兼具空间靶向性和无创性的特点，可以无创地刺激大脑深部脑区，有望用于神经精神性疾病的治疗，引起了研究人员的广泛关注。

　　最近，天津大学医学部刘爽团队总结了TI电刺激相关的研究成果，从基本原理、研究进展和发展方向等方面进行了综述。相关成果发表于医学领域TOP期刊《Frontiers in Neuroscience》上。

　　基本原理

　　TI电刺激的原理如图1所示，两个频率相差很小（f1和f2）且幅值相同的中频正弦电流（I1和I2）被施加到大脑表面，由于干涉作用，这两个正弦电流在某些时刻相互叠加，而在某些时刻又相互抵消，最终会在大脑内部产生一个在时域上大小波动的低频（∆f=f1-f2）包络波形，可以利用该低频包络波形刺激大脑深部的神经元。TI电刺激的刺激原理与神经元的低通滤波特性有关，即只有低频电流才能诱发神经元产生动作电位，而较高频率（1kHz以上）的电流不能引起神经元的有效刺激响应。Boyden等人首次在动物实验中验证了TI电刺激的可行性，他们应用TI电刺激成功激活了小鼠海马区的神经元，实现了对深部脑区的聚焦性和非侵入性的刺激，为脑刺激领域提供了一个新的研究方向。

　　图1 TI 电刺激将两个频率相差较小的高频正弦电流 I1(红色实线)和 I2(蓝色实线)施加到大脑表面，会产生相互干渉后的调制波形(黑色实线) ，该调制波形的包络是频率为∆f的低频波形(红色虚线)。

　　研究进展

　　TI电刺激是一种很有发展前景的刺激技术，有研究开始采用动物模型和人体实验来探究TI电刺激可能的临床应用，并取得了一定的成果。研究人员发现了TI电刺激对人类运动功能的有效性，TI电刺激能有效刺激人类大脑的运动皮层，增强运动功能。除了对运动皮层的调节作用外，TI 电刺激还被用于大脑中病理靶点的刺激，以帮助癫痫患者手术前的病灶定位，有效减少了植入电极的数量。

　　另外，虽然TI电刺激已被证明可以刺激小鼠大脑的神经元，但人类大脑解剖结构的复杂性可能限制了TI电刺激的临床应用。为了改善TI电刺激的刺激性能，有研究提出了多种不同的刺激优化策略，以最大化大脑靶区的TI电场。如图2所示，研究人员采用优化电极配置，施加多点刺激及研发硬件设备等方法进行优化，进一步提高了TI电刺激的刺激强度和刺激聚焦性，促进了TI电刺激的转化应用。

　　目前TI电刺激相关的文献大多采用计算模型进行研究，关于TI电刺激人体试验和动物实验的研究相对较少，未来还需要更深入的探索。

　　图2 多种TI电刺激优化策略。(a)多电极刺激: 使用的电极对越多，在大脑中的刺激就越集中。(b)算法优化：以右侧海马头部为刺激靶区，利用算法确定头皮上61个候选电极的最佳电极配置和注射电流。(c)多点时间相干 (MTI)方法：MTI 使用单个电极传递具有不同频率的电流，可以同时刺激大脑中的多个靶区。(d)硬件: 在TI电刺激期间，刺激器可以精确定位靶区并实时测量生物阻抗。

　　发展方向

　　当前TI电刺激的研究仍处于初级阶段，如果想要将该技术转化为临床可行的治疗手段，还有许多问题亟待解决。如图3所示，还需要更多的研究来探索其原理、优化策略、治疗应用及安全性。

　　一方面，TI电刺激的治疗机制尚不明确，未来需要进一步的研究，这可能涉及刺激过程中神经元兴奋性的变化以及突触可塑性的长期改变。为了避免给人体带来伤害，TI电刺激的安全性和耐受性的评估也是一个重要问题。

　　另一方面，模型研究表明，在人脑中的低电场强度可能是TI电刺激的限制因素，为提高TI电刺激的可行性，可以使用更先进的优化策略来提高TI电刺激的刺激强度和聚焦性。目前，TI 电刺激仅成功地使用微创电极激活了小鼠的海马区神经元，其刺激效应是否可以扩展到人脑尚不清楚，这可能需要更深入的研究。

图3 TI电刺激潜在的发展方向，需要考虑四个方面：原理、优化、应用和安全性。

　　本文综述了TI电刺激技术当前的研究进展和面临挑战，希望能为今后的研究提供参考，进一步促进TI电刺激技术的开发和应用。

　　论文第一作者为天津大学硕士研究生郭婉婷和博士研究生何雨晨，通讯作者为刘爽副教授和明东教授。

　　原文链接：

　　https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnins.2023.1092539/full

　　WantingG, YuchenH, et al. A novel non-invasive brain stimulation technique: “Temporally interfering electrical stimulation” [J]. Frontiers in Neuroscience. 2023.

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