经颅电刺激系列之调幅经颅电刺激AM-tACS

调幅经颅电刺激AM-tACS:突破传统tACS的频谱困局
 

 

传统tACS的伪影困境

 

经颅交流电刺激（tACS）作为非侵入性脑刺激技术，通过在头皮施加与生理节律同步的交变电流来调节神经振荡活动。然而该技术面临根本性限制：当刺激频率（如10Hz）与目标神经振荡频率（如alpha节律）重叠时，产生的强电磁伪影会完全掩盖目标脑电信号。这种频谱重叠现象使研究人员无法在刺激期间实时记录神经活动，严重阻碍了对tACS在线作用机制的研究。

 

 

更复杂的问题在于硬件系统的非线性传输特性。通过系统测试揭示：即使采用理论无伪影的AM-tACS技术，刺激和记录设备的微弱非线性（如数模转换器、电流刺激器、EEG/MEG放大器等）仍会在调制频率处重新引入杂散低频伪影。研究人员测量了四种典型实验系统的输入-输出传递函数，采用六阶多项式回归模型进行拟合：

 

 

V_out = β_6*V_in^6 + β_5*V_in^5 + β_4*V_in^4 + β_3*V_in^3 + β_2*V_in^2 + β_1*V_in + β_0

 

 

 

所有系统的非线性项系数均显著偏离零值（p<0.004），导致在记录AM-tACS信号时，调制频率f_m及其谐波处出现可测量的伪影。这些伪影幅度虽小（通常比载波频率信号低2-3个数量级），但在敏感的分析中可能与真实的神经调制效应混淆。

 

 

 

（左列）使用简化的传递函数（TF）对数字调幅（AM）信号进行评估所得的频谱

 

 

 

AM-tACS的理论突破

 

为破解上述困局，研究者提出调幅经颅交流电刺激（AM-tACS） 的创新方案。该技术采用独特的双频设计：

 

 

 

高频载波（f_c >150 Hz，典型值220 Hz）：由于神经元细胞膜的低通滤波特性（截止频率约100-200 Hz），该成分被显著衰减

 

 

低频包络（f_m，如10 Hz alpha频段）：穿透细胞膜并调制神经活动

 

 

 

 

 

AM-tACS双频刺激方案

 

 

 

其核心理论优势在于频谱分离：AM信号的能量仅分布在载波频率f_c和两个边带f_c±f_m处，在调制频率f_m处理论功率为零。这种设计使刺激伪影从目标频段移出，为实时记录刺激期间的神经活动创造了可能。

 

 

"通过将刺激伪影转移到更高频段，AM-tACS优雅地避免了与目标脑振荡的频谱重叠问题"

 

 

 

HUIYING

原理机制：从电场生成到神经解码

波形设计与电场分布

 

 

AM-tACS的数学表达式精确描述了其时空特性：

 

 

AM_signal(t) = a_stim × [sin(2π·f_c·t) + sin(2π·(f_c + f_m)·t)] / 2

 

 

其中f_c为载波频率（典型值200-1000 Hz），f_m为调制频率（与目标振荡匹配，如10 Hz）。值得注意的是，这种波形与时域干扰刺激（TI） 存在本质关联：TI通过两路高频电场（如2000Hz与2010Hz）在深部脑区干涉形成等效AM波形。

 

 

 

电流流向、大脑前后方向的电场强度空间分布和调幅空间分布

 

 

 

电场分布特性呈现显著空间差异：

 

 

皮层区域：主要承受高强度非调制电场（高达80 V/m）

 

 

深部脑区：形成高调幅度（>50%）的AM电场

 

 

穿透效率：随载波频率升高而降低（1 kHz载波需比100 Hz高12倍电场强度）

 

 

 

神经响应机制

 

生物物理解码过程

 

神经元对AM信号的响应依赖于细胞膜的低通滤波特性：高频载波成分被细胞膜电容显著衰减（衰减程度与频率成反比）；低频包络穿透膜屏障，通过膜电位极化影响神经元放电；

 

 

极化效应在神经网络中放大，最终夹带目标振荡。

 

 

计算模型清晰展示了这一过程：当采用f_c=70 Hz载波时，10 Hz调制波能有效锁定网络振荡相位（PLV=0.64）；而f_c=200 Hz时，相同刺激强度下PLV降至0.03。这种差异源于膜滤波对高频成分的衰减。

 

 

 

衰减程度与频率成反比

 

 

 

轴突的关键作用

 

最新研究发现轴突是AM信号解码的核心单元：

 

 

时间常数短：轴突膜时间常数（τ_m≈1 ms）远小于胞体（τ_m≈20 ms），能响应kHz级载波

 

 

极化效率高：单位电场产生的轴突极化强度是胞体的4倍

 

 

网络级联效应：轴突激活触发突触传递变化，最终调制网络振荡

 

 

 

伪影生成机制与对策

 

尽管AM-tACS理论设计优越，硬件非线性仍是实际应用的瓶颈。可通过六阶多项式模型量化非线性失真：

 

 

V_out = β_6·V_in^6 + β_5·V_in^5 + β_4·V_in^4 + β_3·V_in^3 + β_2·V_in^2 + β_1·V_in + β_0

 

 

各系数统计显著（p<0.004），其效应表现为：

 

 

偶次项（β_2, β_4, β_6）：产生调制频率f_m的谐波

 

 

奇次项（β_3, β_5）：在载波频率f_c周围产生边带

 

 

HUIYING

研究成果：从细胞机制到系统效应

 

 

锁相效能与载波频率的权衡

 

研究通过计算模型系统揭示了AM-tACS的频率-效能矛盾。研究采用包含800个兴奋性神经元和250个抑制性神经元的网络模型，模拟不同载波频率下的相位锁定值（PLV）：

 

 

 

神经元的网络模型

 

 

 

载波频率	70 Hz	100 Hz	200 Hz
PLV峰值	0.82	0.65	0.31
能量传递效率	100%	75%	48%

 

tACS和AM-tACS的相位锁定对比

 

 

 

关键发现：

 

 

维持同等PLV（0.6）需电流：f_c=200 Hz时比f_c=70 Hz高42%

 

 

能量传递效率随载波频率升高呈指数衰减

 

 

最优载波范围：70-100 Hz（平衡伪影控制与神经激活）

 

 

 

 

 

能量传递

 

 

 

剂量阈值与GABA_B的关键作用

 

通过离体海马切片实验量化了AM-tACS的生物效应阈值。在卡巴胆碱诱导的γ振荡（20-40 Hz）模型中，测量不同载波频率下显著调制振荡所需的最小电场强度：

 

 

 

海马体外实验中γ 功率的调制

 

 

 

载波频率	100 Hz	1 kHz	2 kHz
动态调制阈值	5 V/m	60 V/m	80 V/m
等效头皮电流	13 mA	160 mA	220 mA

研究进一步发现GABA_B受体介导的抑制在选择性调控中起核心作用：增强深部脑区对AM电场的动态响应（+40%调制深度）；抑制皮层区对非调制电场的稳态响应；移除GABA_B抑制使深部选择性降低50%。

 

 

HUIYING

应用领域

 

 

神经精神疾病精准干预

 

 

振荡障碍治疗

 

帕金森病：靶向基底节病理性beta振荡（13-30 Hz）

 

 

精神分裂症：纠正前额叶gamma同步缺陷（40 Hz）

 

 

抑郁症：调节前额叶alpha不对称性

 

 

 

认知功能增强

 

工作记忆：相位锁定背外侧前额叶theta振荡（4-8 Hz）

 

 

视觉注意：增强顶枕叶alpha节律（8-12 Hz）

 

 

运动学习：耦合感觉运动区beta-gamma振荡

 

 

 

 

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。
 

调幅经颅交流电刺激模式（Amplitude-Modulated Transcranial Alternating Current Stimulation）：通过载波频率（Carrier Frequency）与调幅频率（AM Frequency）的协同作用，实现对目标脑区特定低频神经振荡（如Delta、Theta、Alpha波）的节律性夹带（Entrainment），并精准调控跨频耦合（Cross-Frequency Coupling, CFC）机制（如Theta-Gamma相位-振幅耦合），以优化神经网络的同步性与功能连接。
 

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

 

调幅经颅交流电刺激模式（Amplitude-Modulated Transcranial Alternating Current Stimulation）：通过载波频率（Carrier Frequency）与调幅频率（AM Frequency）的协同作用，实现对目标脑区特定低频神经振荡（如Delta、Theta、Alpha波）的节律性夹带（Entrainment），并精准调控跨频耦合（Cross-Frequency Coupling, CFC）机制（如Theta-Gamma相位-振幅耦合），以优化神经网络的同步性与功能连接。
 

 

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