经颅电刺激适应症系列之tDCS提高数学能力

 

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数学能力的核心依赖于大脑多个区域的协同工作。通过功能性磁共振成像（fMRI）和脑刺激技术的研究，科学家发现顶叶皮层（尤其是双侧顶内沟（IPS）和角回（AG））是数字处理的核心区域。例如，当人们进行数值比较（如判断8和9哪个更大）时，顶内沟的活动强度与数值差异成反比，这种现象被称为“距离效应”。

 

 

数字认知的神经生物学基础

 

 

左侧顶叶皮层在复杂算术（如减法）中起关键作用。当解决需要分解步骤的双位数减法（例如53-17）时，左侧顶叶的活动显著增强，而右侧顶叶则更多参与符号与数量关系的初步学习。此外，角回与算术事实的提取（如乘法表记忆）密切相关，其活动在重复练习后逐渐增强。

 

 

前额叶皮层（尤其是右侧前额叶）则负责工作记忆和执行控制。例如，在解决需要多步骤的算术问题时，前额叶与顶叶形成功能网络，共同协调计算过程。这些发现表明，数学能力并非单一脑区的作用，而是分布式网络的动态协作结果。

参与数学技能发展的神经认知系统示意图

 

 

大脑区域在算术过程中被激活

 

 

 

 

HUIYING

tDCS增强数学能力的机制

tDCS通过微弱电流调节大脑皮层的兴奋性，其原理基于阳极刺激增强神经元活动，阴极刺激抑制神经元活动。具体机制如下：

 

 

 

1.阳极刺激的增强作用

 

当阳极电极置于左侧顶叶皮层（如P3或CP5位置）时，电流会提高该区域神经元的放电频率。例如，Hauser等人发现，左侧顶叶阳极刺激显著提升了受试者在数值比较和减法任务中的准确率。这种增强效应可能源于顶叶皮层对数量表征和工作记忆的优化。

 

 

 

2.阴极刺激的抑制效应

 

阴极刺激通常用于抑制竞争性脑区的活动。例如，在符号学习任务中，右侧顶叶阴极刺激可减少左半球对符号-数量映射的干扰，从而促进新符号的快速掌握。不过，阴极刺激的效果较复杂，可能因任务类型而异。

 

 

 

3.任务特异性与脑区选择

 

刺激位置与任务需求的匹配：

 

左侧顶叶阳极刺激：适用于需要增强神经兴奋性的任务，如程序性计算的复杂任务（如减法）。

 

 

右侧顶叶阳极刺激：适用于抑制干扰性脑区活动。在符号学习任务中，右侧顶叶阴极刺激可减少左半球对符号-数量映射的竞争性干扰，使新符号的自动处理速度提升15%。

 

 

双侧顶叶刺激：在部分研究中未显示优势，可能因半球间抑制效应抵消了增益。

 

 

参与算术的后顶叶皮层区域的双侧神经解剖学

 

 

具体电极位置

 

左侧顶叶（P3/CP5）：对减法、复杂算术任务效果最显著。

 

 

右侧顶叶（P4）：更适合基础数值比较任务（如数值大小判断），准确率提升5.2%。

 

 

前额叶（F3/F4）：在需工作记忆参与的算术任务（如多步骤乘法）中，左前额叶阳极刺激可使计算效率提升10%。

 

 

4.神经可塑性的长期影响

 

重复的tDCS结合认知训练可诱导长时程增强（LTP），即神经元连接的持久性强化。例如，Cohen Kadosh等人发现，连续5天的刺激可显著提升符号自动处理能力，且效果持续数月。

 

 

 

HUIYING

临床研究验证

1.针对复杂算术的左侧顶叶刺激

 

Hauser等人在两项实验中测试了不同刺激方案：

 

 

实验1：左侧顶叶阳极刺激使减法任务的反应时间缩短8%，准确率提升2.3%。

 

 

 

实验2：右侧顶叶刺激未显示显著效果，进一步支持左侧顶叶在程序性计算中的主导地位。

 

 

 

数值比较和复杂减法任务

 

 

左）数值比较任务准确率改善情况；右）复杂减法反应时间改善情况

 

 

 

2.符号学习的右侧顶叶刺激

 

Cohen Kadosh团队设计了一项符号-数字映射任务。受试者在接受右侧顶叶阳极+左侧顶叶阴极刺激后，其在线段映射任务中的表现显著优于假刺激组（准确率提升12%）。这一方案尤其适用于发展性计算障碍（DD）患者的早期干预。

 

 

 

刺激位置及大脑表面电场示意图

 

 

 

符号与数字映射

 

 

 

RA-LC 组的表现明显优于假刺激组

 

 

 

3.联合fMRI的精准定位

 

Hauser等人通过同步tDCS-fMRI发现，刺激可特异性调节任务相关脑区的活动。例如，右侧前额叶阴极刺激减少了该区域在复杂减法中的负激活，表明电流直接影响了任务相关的神经资源分配。

 

 

 

4.个体差异与精准干预

 

基线能力的影响

 

低绩效者获益更大：在算术事实提取任务中，基线准确率低于60%的个体接受tDCS后提升18%，而高绩效者仅提升3%。

 

 

数学焦虑的调节作用：高焦虑者对前额叶阴极刺激更敏感，算术决策速度提升14%，而低焦虑者可能出现轻微抑制。

 

 

 

功能偏侧化的调控

 

左顶叶优势个体：Kasahara等人通过fMRI筛选左顶叶优势者，施加左阳极/右阴极刺激后，减法速度提升11%。

 

 

双侧激活个体：需采用双侧交替刺激（如第1天左顶叶阳极，第2天右顶叶阳极）以均衡效应。

 

 

HUIYING

治疗方案的关键参数

1.电极位置

 

 

2.刺激方案

 

参数类别	成人标准	青少年
电极位置	P4+ / P3−	P4+ / P3−
电流强度	1−2mA	0.5−1 mA
单次时长	20 min，持续6日	20 min，持续6日

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HUIYING

回映产品  

1.便携式HD-tES

回映便携式高精度经颅电刺激仪(HD-tES)创新地采用type-C转生物电极的设计使得产品能够非常便捷地被使用。回映便携式高精度经颅电刺激仪(HD-tES)通过多电极配置(1个中心电极和4个返回电极)实现高精度电流聚焦,精准刺激目标脑区。其核心优势在于通过缩小电极尺寸(直径12mm的环形电极)和增加电极数量,显著提升刺激的聚焦性和精准性。

 

 

HD-tDCS模式：调节皮层兴奋性,适用于中风康复、抑郁症干预等。

 

HD-tACS模式：精准锁定脑电频段(如β-γ频段改善强迫症,4Hz增强工作记忆)适配认知障碍治疗等。

 

HD-tRNS模式：HD-tRNS 对显式和隐式计时任务的影响不同,用于研究大脑的计时机制和时间处理能力等。
适用范围:神经系统疾病治疗，意识障碍和认知功能调节，康复治疗，运动和认知功能恢复。

回映便携式HD-TES设备示意图
 

回映自研type-C转生物电极示意图

 

 

基本参数

 

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；

 

相位同步：<=±2.5us; <=0.09°；

 

 

 

2.手持式tES

经颅电刺激调控设备采用低强度的电流（±2mA以内)对大脑皮层的靶区域进行刺激，进而达到调节大脑皮层神经元兴奋性、调节脑电波节律、促进神经重塑和修复、改善脑部供血等。

 

经颅直流电刺激(tDCS)：治疗精神分裂症、抑郁症、物质成瘾、阿尔茨海默病、脑卒中后的运动功能障碍、语言障碍、认知障碍等

经颅交流电刺激(tACS )：治疗视功能障碍、认知障碍,提高学习能力、工作记忆等

经颅脉冲电刺激(tPCS)：增强运动技能,缓解疲劳,促进知觉学习任务、算术任务，调节注意力切换任务的准确性,改善帕金森病患者的步态平衡等

经颅随机噪声刺激(tRNS)：治疗耳鸣,提高工作记忆、认知能力等

适应症：焦虑、抑郁、失眠、癫痫、强迫症、注意缺陷多动障碍、巩固记忆、运动控制等。

 

回映便携式tES设备示意图

 

 

基本参数

 

刺激强度：10mA~30mA 连续可调，调节分辨率0.01mA，输出电流误差<=±10%

刺激频率: 1Hz~99Hz 范围内可调，频率步进为 1Hz，输出频率误差 <=±5%

载波频率: 2KHz~100KHz 范围内可调，频率步进为 1KHz，输出频率误差 <=±1%

刺激时间：0~60min可调

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

 

 

HUIYING

回映产品  

1.便携式HD-tES

回映便携式高精度经颅电刺激仪(HD-tES)创新地采用type-C转生物电极的设计使得产品能够非常便捷地被使用。回映便携式高精度经颅电刺激仪(HD-tES)通过多电极配置(1个中心电极和4个返回电极)实现高精度电流聚焦,精准刺激目标脑区。其核心优势在于通过缩小电极尺寸(直径12mm的环形电极)和增加电极数量,显著提升刺激的聚焦性和精准性。

 

 

HD-tDCS模式：调节皮层兴奋性,适用于中风康复、抑郁症干预等。

 

HD-tACS模式：精准锁定脑电频段(如β-γ频段改善强迫症,4Hz增强工作记忆)适配认知障碍治疗等。

 

HD-tRNS模式：HD-tRNS 对显式和隐式计时任务的影响不同,用于研究大脑的计时机制和时间处理能力等。
适用范围:神经系统疾病治疗，意识障碍和认知功能调节，康复治疗，运动和认知功能恢复。

回映便携式HD-TES设备示意图
 

回映自研type-C转生物电极示意图

 

参考文献

1.Enhancing performance in numerical magnitude processing and mental arithmetic using transcranial Direct Current Stimulation (tDCS)

 

 

2.A single tDCS session can enhance numerical competence

 

 

3.Neurocognitive effects of transcranial direct current stimulation in arithmetic learning and performance: a simultaneous tDCS-fMRI study

 

 

4.Understanding the Effects of Transcranial Electrical Stimulation in Numerical Cognition: A Systematic Review for Clinical Translation