经颅电刺激系列之otDCS 振荡经颅直流电刺激

 

 

传统经颅电刺激技术的局限性

 

传统的经颅直流电刺激（tDCS）和经颅交流电刺激（tACS）是神经调控领域的两大核心技术。tDCS通过恒定的直流电改变神经元膜电位，以极化或去极化方式调节皮层兴奋性。其作用机制主要依赖于对静息膜电位的持续性调整，但缺乏对特定脑节律的针对性干预。tACS则通过正弦波交流电以特定频率（如θ或β波段）调节神经振荡，但其双向极性切换可能干扰功能网络的同步性。

 

 

研究表明，传统tDCS的电场分布广泛，难以实现局部精准刺激。例如，标准tDCS的1×1电极布局会在靶区外形成显著电流扩散，甚至影响深部结构。而tACS虽能通过频率匹配增强内源性振荡，但其离线效应（即刺激后持续效果）有限。

 

 

 

otDCS的创新

 

振荡经颅直流电刺激（oscillatory tDCS, otDCS）的提出，旨在整合tDCS与tACS的优势。其核心设计是将振荡电流叠加于直流偏置上，同时实现神经元兴奋性调节和节律性神经活动同步。

 

 

otDCS的电流波形为单向振荡（例如：在1.5 mA基础上叠加±0.5 mA的正弦波动），既保留了tDCS的极化效应，又通过频率特异性刺激增强目标脑区的振荡耦合。例如，在β波段（15-35 Hz）个体化otDCS中，刺激频率根据受试者皮质肌肉连贯性（CMC）的峰值频率定制，显著提升了运动皮层的振荡同步性。

 

 

 

otDCS电流波形与刺激部位及电场示意图

 

 

 

 

HUIYING

作用原理与神经机制

双模调控：兴奋性与振荡同步的协同效应

 

otDCS的独特机制在于同时作用于神经元膜电位和振荡节律。直流成分通过改变静息膜电位（如阳极刺激诱导去极化），提高皮层兴奋性；而振荡成分通过共振效应增强内源性节律的功率和相位一致性。

 

 

在初级运动皮层（M1）的研究中，个体化β波段otDCS显著增强了皮质肌肉连贯性（CMC）和运动诱发电位（MEP）。实验显示，otDCS刺激后CMC立即增加15%，且效果持续20分钟以上，而传统tDCS和tACS无显著变化。这种协同效应可能源于突触可塑性的时间依赖性增强（STDP），即振荡电流通过精准匹配神经元放电时间窗强化突触连接。

 

 

 

otDCS、tACS和tDCS对归一化皮质肌肉连贯性（CMC）的影响对比

 

 

 

频率特异性与个体化参数

 

otDCS的效果高度依赖频率匹配。例如，当采用固定20 Hz的β波段刺激时，CMC的增强程度与个体原始CMC峰值频率和20 Hz的差异呈负相关。这表明，个体化频率设置能最大化共振效应。

 

 

 

个体化频率对CMC的影响

 

 

 

HD-otDCS高密度电极布局与空间聚焦

 

为提升空间精度，高密度otDCS（HD-otDCS）采用多电极环状阵列。例如，顶叶皮层的HD-θ-otDCS使用中央阳极（P3）和四个环形返回电极（CP1、CP5、PO3、PO2），将电流密度集中于靶区。电场模拟显示，该布局在左顶叶皮层产生的电场强度是传统tDCS的2.3倍，且深部扩散减少60%。

 

 

 

高密度θ 振荡调制经颅直流电刺激（HD-Theta-otDCS）

 

 

 

HD-Theta-otDCS 刺激在编码和检索阶段均能显著提升联想记忆表现，且刺激时机对效果无显著影响。这为 HD-Theta-otDCS 可有效增强联想记忆提供了有力证据，表明该技术在记忆增强方面具有潜在应用价值

 

 

 

不同实验条件下正确回忆出的单词的比例

 

 

 

 

 

 

HUIYING

otDCS与传统tDCS、tACS横向比较

 

 

与传统tDCS的对比

 

机制差异：

 

tDCS通过持续去极化增强皮层兴奋性，但缺乏节律特异性。

 

 

tACS通过双向极性切换（如±1 mA）诱导膜电位周期性波动，可能干扰静息态网络。

 

 

otDCS维持直流极化的同时，通过振荡成分调节突触可塑性的时间窗口；且单向振荡避免极性反转，更适合长期稳定性调节。

 

 

效果差异：

 

在联想记忆任务中，传统tDCS主要提升低认知负荷任务表现（如短序列记忆），而otDCS对高负荷任务（如长序列记忆）效果更显著。

 

 

在记忆编码阶段，θ波段tACS和otDCS均增强高负荷任务表现，但tACS可能诱发视网膜幻视。

 

 

 

运动皮层研究中，tACS、tDCS无法离线增强皮质脊髓兴奋性，而otDCS使MEP振幅增加28%。

 

 

 

短期联想记忆任务示意图

 

 

 

三种tES技术对记忆任务的影响

 

 

注：otDCS与tACS对高负荷记忆任务效果更优，而tDCS主要改善低负荷任务。

 

 

 

 

 

HUIYING

应用领域

 

 

运动康复领域

 

个体化β-otDCS已证实可增强中风患者的皮质脊髓通信。其通过调节M1区β振荡，促进运动学习与功能重组。未来可探索与康复训练的联合应用方案。

 

 

 

认知增强与神经退行性疾病

 

HD-θ-otDCS在年轻健康群体中使联想记忆准确率提升11%，且对编码和提取阶段均有增益。针对轻度认知障碍（MCI）患者的初步研究显示，θ-otDCS可逆转情景记忆衰退。

 

 

 

技术挑战与优化方向

 

个体化频率适配：需结合实时EEG监测动态调整刺激参数。

 

 

多模态整合：与fNIRS或TMS联用，可实时验证神经调控效果（文献1，实验设计）。

 

 

长效性研究：当前otDCS效果持续约20-30分钟，需探索多次刺激的累积效应。

 

 

 

总结

 

otDCS通过融合直流极化与振荡节律调控，实现了神经兴奋性与功能网络同步性的双重干预。其个体化频率设置与高密度电极布局进一步提升了空间与功能特异性。相较于传统tDCS和tACS，otDCS在运动康复、记忆增强等领域展现出独特优势，但仍需大规模临床验证以优化参数并拓展适应症。未来，随着闭环调控系统的开发，otDCS有望成为精准神经调控的核心工具。

 

 

 

 

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