PWM-TI是时域干涉电刺激tTIS新的未来吗

 

PWM-TI 的定义

PWM-TI 是一种非侵入性深部脑刺激技术，通过施加两个不同频率（kHz范围）的双相方波电场，在其重叠区域产生一个脉冲宽度（Pulse-Width）周期性变化、但包络幅度恒定的合成电场。该脉冲宽度的变化频率为两原频率之差（Δf），处于神经活动频率范围内（如10 Hz），从而可调控神经活动。

 

图1 PWM-TI 的基本原理与概念示意图

 

图1A–C 直观展示了PWM-TI的基本原理：

图1Ai：传统TI（正弦波叠加）产生幅度调制（AM）的包络。

图1Aii：PWM-TI（方波叠加）产生脉冲宽度调制（PWM），包络幅度恒定。

图1B–C：在脑内某一区域，两电场完全重叠时脉冲宽度调制幅度（λPWM）最大，否则较小。

 

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PWM-TI 相对于传统tTIS的优势

优势：

能量效率更高：方波的RMS值比正弦波高约40%，因此在相同峰值电流下，PWM-TI能诱发更强的膜电位振荡（图2Dii）和钙信号响应（图3C–E）。

 

图2 离体脑片膜片钳记录证明PWM-TI可有效去极化神经元

 

总结： 图2通过严谨的离体电生理实验证明，PWM-TI不仅能有效在差频上去极化神经元膜电位，其效率（振荡幅度和AP阈值）甚至优于传统的正弦波TI。证明了单个神经元可以对PWM-TI产生反应。

离体脑片膜片钳是一种直接在脑组织薄片上对单个神经元进行 intracellular（细胞内）电生理记录的金标准技术，它能像超高精度的电压表一样，实时捕捉神经元膜电位的微小变化，从而为PWM-TI的有效性提供最直接的证据：它记录到神经元并非简单地响应高频刺激，而是特异性地在目标差频（Δf）上产生节律性的膜电位去极化振荡和动作电位，证明了PWM-TI能高效且特异性地驱动神经活动。

刺激阈值更低：在体内外实验中，PWM-TI诱发动作电位和网络振荡的电流密度阈值均低于传统TI（图2Eii、图3Ci）。

 

 

图3 在体钙成像证明PWM-TI可驱动网络水平的神经活动

 

总结：图3证实了PWM-TI在活体大脑中的有效性，能够以更低的能量需求高效地驱动特定神经环路的同步活动，奠定了其未来应用的潜力。证明了一大群神经元（网络）同时对PWM-TI产生反应。这是一个面上的证据。网络水平的同步活动是大脑产生脑电节律、执行认知功能（如记忆、注意力）的基础。钙成像证明PWM-TI具有协调和驱动大规模神经环路的能力，这是其迈向治疗应用（如调节异常的脑节律）的关键一步。

在体钙成像通过基因编码的荧光蛋白（如GCaMP）实时报告大量神经元的钙离子浓度变化，从而间接显示其电活动。它能够证明PWM-TI可驱动网络水平活动，是因为其观测到刺激后整个神经元群体在目标差频（Δf）上产生了同步的、节律性的荧光信号振荡，这直接反映了大规模神经网络的协同激活，而非单个细胞的孤立反应。

潜在的细胞类型特异性：由于依赖膜时间常数，PWM-TI可能通过调节脉冲宽度实现对不同神经元类型的选择性刺激。

 

出现原因：

传统TI使用正弦波，其包络幅度调制（AM）是显性的；而PWM-TI使用方波，其包络幅度恒定，但脉冲宽度周期性变化。PWM-TI的出现是为了探索是否这种“隐形”的调制方式也能有效调控神经活动，并可能因其能量特性提供更高效的刺激策略。

 

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PWM-TI 的工作机理

PWM-TI 的核心机制是通过神经膜的被动低通滤波特性，将脉冲宽度调制（PWM）转换为幅度调制（AM）的膜电位响应。

 

图4 计算模型揭示PWM-TI诱发幅度调制式膜去极化的机制

 

总结： 图4揭示了PWM-TI的工作机制：尽管外部施加的电场是脉冲宽度调制（PWM），但神经细胞膜的生物物理特性（如低通滤波）将其转换为了细胞所能“感知”的幅度调制（AM）信号，从而实现了与传统TI相似的神经调控效果。

 

 

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临床研究：方法与结果

研究方法：

离体实验（图2）：小鼠脑片膜片钳记录，施加PWM-TI和传统TI，记录膜电位响应。

在体实验（图3）：GCaMP6s小鼠宽场钙成像，观察皮层网络对PWM-TI的响应。

计算模型（图4、5）：使用NEURON模拟L2/3锥体神经元，分析膜电位响应机制。

 

研究结果：

离体：PWM-TI诱发Δf膜电位振荡幅度比TI高40%，AP阈值低20%（图2）。

在体：PWM-TI诱发Δf和2Δf钙信号振荡的阈值均低于TI（图3C），且响应更强（图3E）。

计算模型：PWM-TI通过被动膜滤波转换为AM式去极化，效率与传统TI相当（图4、5）。

 

图5 被动膜的低通滤波特性是PWM转换为AM的关键

 

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总结

PWM-TI 是一种新型非侵入性深部脑刺激技术，通过施加双相方波电场，利用神经膜的低通滤波特性将脉冲宽度调制转换为有效的神经去极化。其在能量效率、刺激阈值等方面优于传统TI，且机制清晰，具有潜在的细胞类型选择性和临床应用前景。

 

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回映产品

产品1：便携式TI时域干涉经颅电刺激仪

 

便携式TI时域干涉经颅电刺激仪通过紧密接触于头皮的电极传导两路不同频率的高频脉冲电流(如：2000Hz和2010Hz),高频电流流经大脑表层和深部区域，并在脑深部干涉产生低频包络(如：10Hz),由于大脑神经元对高频(>1000Hz)电刺激不响应，所以位于大脑表层的高频电流并没有对大脑产生刺激效应位于脑深部的低频包络刺激大脑，实现无创地刺激大脑深部而不影响大脑皮层，即无创脑深部电刺激。

        回映便携式时域干涉电刺激设备支持传统的tTIS时域干涉电刺激模式（基于正弦波），PWM-TI时域干涉电刺激模式（基于50%占空比方波），burst-TI时域干涉电刺激模式,细分为tTI-iTBS，tTI-cTBS两种模式（基于iTBS，cTBS).

 

适用范围：

能够应用于对老年痴呆、癫痫、帕金森、抑郁症等多种神经系统疾病治疗和神经科学研究的多个领域。

 

 

产品2：48通道8脑区同步高精度经颅电刺激设备

 

回映电子科技院线级多脑区高精度经颅电刺激设备(MXN-48)是一款可8脑区/8人同步干预的高精度经颅电刺激实验平台。其已突破了Soterix对该技术的垄断(Soterix产品Soterix MXN-33 高精度经颅电刺激系统其之前是市面上唯一款可对不同脑区进行同步精确干预的设备)回映高精度经颅电刺激产品M×N-48其具有48个独立输出通道，每个通道的波形，强度等参数都可以独立设置，可以实现对8个不同脑区的同步干预，不同脑区的相位同步性<0.1°，大大增强了tES的神经调控效果。回映高精度经颅电刺激设备提供了两种不同的操作模式以供研究者选择——基础模式和自由模式。基础模式使用更加方便，设定简单；自由模式则允许导入自定义电流波形，功能更加强大。

适用范围：康复医学：运动功能障碍、语言障碍、认知障碍、吞咽障碍、意识障碍、上肢肌张力障碍、卒中后抑郁、卒中后疼痛等精神病学：抑郁症、焦虑症、强迫症、物质成瘾、创伤后应激障碍﹑精神分裂症等儿童康复：脑瘫、运动功能障碍、注意缺陷多动障碍、孤独症、阅读障碍、语言发育迟缓等神经病学：睡眠障碍、耳鸣、慢性疼痛、帕金森病、纤维肌痛、慢性疼痛(脊髓损伤下肢)、阿尔茨海默病、单侧忽略﹑偏头痛、神经性疼痛等脑科学研究：记忆、学习、言语等

产品3：手持式高精度经颅电刺激HD-tES设备

 

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。
回映HD-tES支持多模式刺激,覆盖多场景需求：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。
 

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
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。产品4：便携式经颅强交流电刺激仪(Hi-tACS)
该设备采用非侵入性的10-30mA刺激电流直接刺激大脑区域，进而刺激大脑深部的神经核团、改变神经递质水平，影响脑电节律、改善脑区间的联络，从而增强脑功能，治愈疾病。