经颅电刺激适应症系列之tACS调节睡眠

 

多脑区协同的睡眠启动机制

 

睡眠的启动依赖于皮层与皮层下结构的动态交互。前额叶皮层通过调控皮层-丘脑-脑干环路，主导从觉醒到睡眠的过渡。实验表明，前额叶神经元在睡眠初期会率先进入同步化状态，其theta（5-7 Hz）和alpha（8-12 Hz）节律的增强直接反映睡眠压力的积累。

 

 

 

丘脑的关键作用：丘脑不仅是感觉信息的中继站，更是睡眠节律的“节拍器”。丘脑网状核通过释放GABA抑制丘脑-皮层神经元活动，减少外界感觉输入，同时促进慢波振荡（0.5-1 Hz）的生成。这种抑制性调控在非快速眼动睡眠（NREM）阶段尤为显著。

 

 

 

海马与记忆巩固：睡眠期间，海马体的theta节律与皮层慢波活动形成跨频耦合，促进记忆的离线处理。动物实验显示，海马在睡眠启动前数分钟即出现同步化活动，提示其可能通过调控皮层-丘脑反馈环路加速睡眠进程。

睡眠-觉醒的脑区协同机制

 

 

睡眠阶段的脑电特征

 

睡眠的不同阶段对应特定的脑电图（EEG）模式：

 

 

清醒期：以低幅高频的beta（13-24 Hz）活动为主；

 

 

睡眠初期：theta和alpha活动逐渐增强，前额叶区域最先出现同步化；

 

 

慢波睡眠（SWS）：以高幅低频的delta（0.5-4 Hz）和慢波活动（SWA）为标志；

 

 

REM睡眠：theta和gamma（>30 Hz）活动交替出现。

 

 

清醒状态和非快速眼动睡眠脑电图

 

 

 

 

 

 

HUIYING

经颅交流电刺激的作用机制

频率特异性神经振荡夹带原理

 

tACS通过施加与目标脑波同频的交流电场，诱导神经元集群的膜电位发生节律性振荡。当刺激频率（5 Hz）接近神经元的固有共振频率时，会产生夹带效应（entrainment），表现为

 

 

相位同步增强：神经元放电时间与刺激电场相位耦合

 

 

功率谱峰值偏移：主频向刺激频率靠拢

 

 

跨频段耦合：theta-gamma（30-80 Hz）相位-振幅耦合增强

 

 

在5 Hz tACS实验中，刺激后theta频段（5-7 Hz）功率在左顶叶（P3）增加51.7±59.04%，且与10 Hz alpha活动呈现负相关（r=-0.68，p<0.01）

 

 

前颞叶脑区靶向与电流分布

 

电极布局和电流分布决定了刺激的脑区选择性：

 

 

1.前额-颞叶靶向

 

 

电极位置：双侧F7-T7和F8-T8覆盖前额叶下回、眶回及颞极，这些区域与睡眠启动和情绪调节密切相关；

 

 

电流密度峰值：有限元模型显示，电流在眶额皮层和颞叶前部的密度最高，可能通过调节边缘系统增强睡眠倾向。

 

 

 

2.刺激参数的影响

 

 

频率特异性：0.75 Hz的慢振荡刺激（SW-tACS）可特异性增强慢波睡眠的SWA，而5 Hz的theta刺激更易提升睡眠初期的theta功率；

 

 

极性效应：阳极刺激比阴极刺激更易诱导皮层兴奋性变化。

 

 

导联示意图与电流密度分布有限元建模

 

 

 

 

 

 

HUIYING

临床研究验证

清醒期EEG调控的对照实验

 

 

一项单盲交叉研究纳入25名健康受试者，对比5 Hz tACS与伪刺激的效果：

 

 

实验设计（KSS：卡罗林斯卡嗜睡量表）

 

 

 

1.客观脑电变化与主观感受分离

 

 

5 Hz tACS可特异性增强后部脑区的theta活动（P3、Pz、T8）和中央前部的alpha活动（C4、F4），但主观嗜睡感（KSS评分）未显著高于伪刺激组。这一现象表明，tACS对皮层振荡的调控作用可能独立于意识层面的睡眠感知。

 

 

脑电图功率变化与主观嗜睡感的相关系数地形图

 

 

 

2.环境因素干扰主观评估

 

 

实验设计中闭眼静坐的环境本身可能诱发嗜睡感（如“午餐后困倦效应”），导致真实刺激与伪刺激组的KSS评分均上升。因此，未来研究需结合行为任务（如警觉性测试）以更精准评估主观睡眠倾向。

 

 

 

3.个体响应差异的神经基础

 

 

仅28%的受试者（7/25）在tACS后出现显著theta功率变化。EEG基线分析显示，响应者的左颞顶区alpha功率较高，提示皮层静息态同步化水平可能是预测tACS疗效的生物标志物。

 

 

θ-tACS 和假刺激条件下，基线和刺激后 EEG 频谱功率的地形分布

 

 

 

睡眠结构的长时程调控研究

 

 

 

后续研究要求受试者在刺激后小睡，发现：

 

 

1.响应者亚组特征

 

 

SWA增幅显著：响应者的慢波活动在睡眠初期提升15%-30%，且增幅随睡眠进程递减；

时间依赖性效应：SWA变化在入睡后20分钟内最显著，与睡眠压力释放的生理规律一致。

 

 

 

 

2.非响应者潜在因素

 

 

 

 

基线alpha活动：非响应者的枕叶alpha功率较低，可能反映皮层兴奋性基线差异；

 

 

年龄相关性：老年受试者对0.75 Hz刺激的响应较弱，可能与皮层萎缩和慢波生成能力下降有关。

 

 

 

总结性结论：

 

 

现有研究证实，5 Hz前颞叶tACS可通过调节丘脑-皮层-海马网络增强睡眠压力，在调控清醒期脑电活动和增强慢波睡眠方面具有明确疗效，但其效果受个体神经基线状态和年龄因素显著影响。未来需通过多模态评估（EEG+行为指标）优化疗效判定标准，并开发个体化刺激方案以克服响应率限制。

 

 

HUIYING

治疗方案的实施参数

刺激参数

 

 

Montage 刺激位点

 

 

 

参数类别	成人标准	青少年
电极位置	FT7/FT8	FT7/FT8
电流强度	0.6-1 mA	0.3-0.5 mA
频率范围	4-10 Hz，常用中心频率5Hz	4-10 Hz，常用中心频率5Hz
单次时长	20 min，按需每日	20 min，按需每日
生理依据	匹配自然睡眠theta节律 平衡穿透深度与舒适度 增强深部电流密度	适应发育中大脑敏感性 降低电流强度确保安全

 

安全性评估

 

在三项临床研究中：

 

 

急性反应：100%受试者报告短暂皮肤刺痛（持续28.3±6.5秒）

 

 

长期影响：1个月随访未发现认知功能下降（MoCA评分变化0.3±1.1）

 

 

禁忌证：颅内金属植入、癫痫病史、皮肤破损

 

 

 

 

HUIYING

回映产品

1.可穿戴闭环睡眠设备

个性化可穿戴闭环睡眠设备首先对EEG 脑电信号 进行实时采集,并对EEG 进行PSD 功率图谱转换获取到脑电节律Theta 波(4-8Hz) 以及Alpha 波(8-13Hz) 最高功率 所对 应的频率,然后基于此频率作为个性化tACS 经颅交流电刺激 的刺激频率进行恒流源输出进而实现个性化闭环睡眠治疗｡

 

 

 

 

基本参数

采集系统基础参数 

采样率：最高 16KHZ；

 

 

共模抑制比：≥ 100dB；

 

 

噪声：≤ 5uV；

 

 

输入阻抗：≥ 1000MΩ；

 

 

脑电 EEG：单通道，2~100uV。

 

 

 

刺激系统基础参数 

刺激模式：tDCS/tACS/tPCS/tRNS 四种模式灵活可调，tDCS 经颅直流电刺激，

 

 

tACS 经颅交流电刺激，tPCS 经颅脉冲电刺激，tRNS 经颅白噪声电刺激；

 

 

刺激强度：-2mA~2mA 连续可调，调节分辨率 0.01mA，输出电流误差 <=±10%；

 

 

刺激时间：0~60min 可调；

 

 

刺激频率：针对于 tPCS/tACS 模式，1Hz ～ 99Hz 范围内可调，频率步进为 1Hz，输出频率误差 <=±5%；

 

 

淡入淡出时间：0~120s 可调，确保刺激的安全性；

 

 

脱落检测：通过实时阻抗检测分析电极脱落状态确保刺激有效性

 

 

 

 

 

2.便携式经颅交流电刺激睡眠仪

 

便携式经颅交流电刺激睡眠仪交替输 出两个特定频率(基于特定的脑电节律Theta 波(48Hz) 以及Alpha 波(8-13Hz) 确定)的tACS 经颅交 流电刺激波形实行对睡眠障碍的干预治疗｡

 

 

 

 

 

基本参数

 

刺激模式:tDCS/tACS/tPCS/tRNS 四种模式灵活 可调,tDCS 经颅直流电刺激,tACS 经颅交流电刺激, tPCS 经颅脉冲电刺激,tRNS 经颅白噪声电刺激;

 

 

刺激强度:-2mA~2mA 连续可调,调节分辨率 0.01mA,输出电流误差<=±10%;

 

 

刺激时间:0~60min 可调;

 

 

刺激频率:针对于tPCS/tACS 模式,1Hz ~99Hz 范围内可调,频率步进为1Hz,输出频率误差 <=±5%;

 

 

淡入淡出时间:0~120s 可调,确保刺激的安全性;

 

 

脱落检测:通过实时阻抗检测分析电极脱落状态 确保刺激有效性｡

 

 

 

 

参考文献

1.Bilateral 5 Hz transcranial alternating current stimulation on fronto-temporal areas modulates resting-state EEG

 

 

 

2.The Efficacy of Transcranial Current StimulationTechniques to Modulate Resting-State EEG, to AffectVigilance and to Promote Sleepiness

 

 

 

3.Bilateral Theta Transcranial Alternating Current Stimulation (tACS) Modulates EEG Activity: When tACS Works Awake It Also Works Asleep