经颅电刺激系列之相移经颅交流电刺激Phase-shifted tACS

 

传统tACS的瓶颈

 

传统经颅交流电刺激（tACS）通过单频正弦电流调节皮层兴奋性，但其作用机制存在显著局限：

 

 

空间局限性：早期研究多聚焦于初级运动皮层（M1），通过运动诱发电位（MEPs）评估效果。对于高阶认知网络（如前额叶-顶叶网络）的调控缺乏直接证据。

 

 

机制单一性：假设刺激电流与皮层兴奋性呈线性关系，即电流幅度的瞬时变化直接决定神经响应。然而，此假设无法解释复杂网络层面的相位依赖性交互。

 

 

 

Phase-shifted tACS的提出

 

为突破上述限制，研究者提出多电极相位差刺激（Phase-shifted tACS），其核心创新在于：

 

 

多电极协同：通过两个或多个电极施加相位差异化的交流电流，直接干预脑区间的振荡同步性。例如，在右前额叶（F4）和顶叶（P4）施加相位差为0°或180°的6Hz电流。

 

 

多电极协同刺激

 

 

动态电场控制：调节电极间的电流相位差可生成具有特定时空特性的颅内电场，模拟自然神经通信模式。当相位差为180°时，前额叶与顶叶电场方向相反，而0°相位差则产生双向分布电场。

 

 

 

给定刺激条件下大脑内随时间变化的电场情况

 

 

 

HUIYING

原理机制：电场动态与神经调制的双重路径

电场时空特性

 

Phase-shifted tACS的电场特性由以下关键因素决定：

 

 

幅度非线性：电场强度随刺激相位差呈正弦曲线变化。当两电极相位差为180°时，电场强度是0°时的2-2.3倍。

 

 

 

给定刺激条件下大脑内的电压和电场相位

 

 

 

相位梯度：电场相位沿空间分布存在差异。例如，90°相位差时，前额叶与顶叶的电场相位差最大。

 

 

 

施加不同相位的交流电刺激观察大脑电场

 

 

 

行波刺激：时空动态调控

 

Phase-shifted tACS可生成"行波电场"，其特性包括：

 

 

传播方向：电场最大值随时间沿特定方向迁移。例如，45°相位差时，电场从前额叶逐渐向顶叶传播。

 

 

 

刺激（相位差为45°）过程中灰质表面电场的计算机模型

 

 

 

神经元类型特异性响应机制

 

研究通过雪貂模型揭示了tACS的细胞类型特异性效应：

 

 

清醒头固定雪貂的组织学及内源性α 波段振荡

 

 

 

快速发放抑制性中间神经元（FS）的优先同步：α频段（6-17 Hz）刺激下，FS神经元因更强的内源性α振荡耦合，表现出比宽脉冲神经元更显著的相位锁定。

 

 

 

α频段的窄峰细胞（红色）的PLV 值（相位锁定值）明显高于宽峰单元

 

 

膜电位整合机制：神经元膜的时间常数（≈10ms）允许跨周期电荷累积，导致刺激电流与兴奋性变化呈非线性关系。

 

 

 

HUIYING

研究成果：从基础到应用

 

 

相位依赖性信号传递调控

 

前额叶刺激效应：

 

 

 

经颅交流电刺激（tACS）、经颅磁刺激（TMS）和脑电图（EEG）同步记录的实验装置

 

 

早期成分（40-60ms）：经颅磁刺激诱发电位（TEPs）在90°相位（波峰）显著增强，270°相位（波谷）抑制。

 

 

晚期成分（160-180ms）：相位效应扩散至对侧皮层，表明网络级联调控。

 

 

顶叶刺激验证：相位依赖性TEPs变化在80-100ms后出现，反映信号从前额叶到顶叶的传导时间。

 

 

 

顶叶tACS 期间 TMS 诱发电位（TEP）的头皮地形图

 

 

 

电场动态的量化验证

 

研究通过行为学与fMRI联合实验揭示了以下发现：

 

 

行为学效应：

 

 

同步（0°相位）tACS显著改善高认知负荷任务（2-back）的反应时间（RT），较异步（180°相位）和假刺激条件分别缩短0.76和0.58个标准差。

 

 

低负荷任务（1-back和CRT）未观察到显著改善，表明相位同步效应与认知需求密切相关。

 

 

 

 

 

HUIYING

应用领域

 

 

认知增强与神经调控

 

工作记忆优化：前额叶θ同步性是工作记忆的核心机制。同步tACS可增强前额叶-顶叶相位耦合，将2-back任务反应时间缩短至接近1-back水平。

 

 

 

神经精神疾病干预

 

精神分裂症：前额叶θ振荡紊乱是核心病理特征，相位特异性刺激可恢复网络同步性。

 

 

抑郁症：调节默认网络与额顶控制网络的相位关系可能改善情绪加工。

 

 

 

脑机接口与神经工程

 

闭环刺激系统：结合实时EEG反馈，动态调整刺激相位以维持最佳网络状态。

 

 

个性化参数优化：基于个体解剖模型（如SimNIBS）定制电极布局与相位差。

 

 

 

总结

 

Phase-shifted tACS通过精准控制电场的时空动态，为理解与干预脑网络提供了全新工具。其核心优势在于：

 

 

机制明确性：量化电场参数（幅度、相位、行波）与神经响应的映射关系。

 

 

应用多样性：覆盖基础研究（如CTC模型验证）、临床治疗与工程开发。

 

 

未来需进一步探索个体化频率匹配、长期刺激安全性及多频段耦合效应。结合机器学习与实时成像技术，有望实现个性化神经调控，为精神疾病康复与认知增强开辟新路径。

 

 

 

 

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-otDCS 模式：叠加振荡电流于直流偏置，同步调节神经元兴奋性与节律性活动，高密度电极提升空间精度，频率特异性与个体化参数优化共振效应。

 

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。
 

HD-Phase-shifted tACS 模式：干预脑区间振荡同步性、生成具特定时空特性颅内电场以调控神经活动。
 

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。认知增强、工作记忆优化及精神分裂症、抑郁症等神经精神疾病的网络同步性调节。

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。

 

震荡经颅直流电刺激 (otDCS)：改善认知功能、增强联想记忆，逆转轻度认知障碍患者的情景记忆衰退等

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

移相经颅交流电刺激模式(Phase-shifted tACS)：干预脑区间振荡同步性、生成具特定时空特性颅内电场以调控神经活动。
 

 

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。认知增强、工作记忆优化及精神分裂症、抑郁症等神经精神疾病的网络同步性调节。

 

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