新型TI模式：多对电极相位对消如何改善TI脱靶效应问题?

 

TIS空间聚焦性不足和存在脱靶效应概述

时间干涉刺激（Temporal Interference Stimulation, TIS）是一种非侵入性脑刺激技术，通过头皮电极施加两路高频电场（例如 2,000 Hz 与 2,005 Hz），在大脑深部形成低频（如 5 Hz）的振幅调制包络，从而实现对深部脑区的神经元活动调控。理论上，高频载波几乎不兴奋神经元，只有低频包络能够有效夹带神经活动，因此 TIS 有望在避开皮层影响的同时，精准刺激深部靶点。

然而，越来越多的计算与实验研究表明，传统双电极对（ dipole ）TIS 存在明显的空间聚焦性不足和脱靶效应。在该研究中，作者首先通过计算模拟筛选出靶向小鼠内侧前额叶皮层（mPFC）边缘下区（infralimbic cortex, IL）的最优电极配置（如图1A、1B所示）。随后，利用在体局部场电位（LFP）记录、光纤光度法（GCaMP8m）和功能磁共振成像（fMRI），作者验证了 TIS 能够成功激活 IL 区，并产生与包络频率（5 Hz 或 7 Hz）同步的神经响应（如图1D所示）。但进一步的全脑 fMRI 分析发现，TIS 不仅激活了目标区 IL，还在多个非靶区引起了显著的 BOLD 信号增强。文中明确指出，脱靶区域包括同侧和对侧运动皮层（MOp）、海马（HIP）、丘脑（TH）以及上丘（SC）等（如图4B、4C所示）。即使在主动假刺激（即两路频率相同，仅产生 kHz 电场而无低频包络）条件下，部分脑区仍出现明显的 BOLD 响应，提示 kHz 场本身也具有非特异性神经调控效应（如图4F所示）。这些结果表明，传统 TIS 的空间选择性远未达到理想水平，脱靶效应是其向临床应用转化的重要障碍。

 

 

图1 TIS 振幅调制效应的表征

 

图1 系统展示了为靶向小鼠内侧前额叶皮层（mPFC）边缘下区（IL）而进行的计算建模与在体验证结果。
 

图1A为高分割小鼠头部模型，标明了38个高密度脑电电极的虚拟放置位置。
 

图1B通过计算筛选出十个聚焦性最优的电极配置，其中AF3/AF7与AF4/AF8两对电极的聚焦性最高。
 

图1C为实验装置示意图。
 

图1D展示了在IL区记录到的原始局部场电位数据，可见5 Hz和7 Hz的包络调制波形，而主动假刺激（两路均为2 kHz）无包络产生。
 

图1E显示改变两路电流比例（转向）会显著降低TIS响应幅度，证实了目标区域优化在1:1电流比时最佳。
 

图1F表明TIS响应幅度与刺激电流强度呈正比。
 

图1G显示随着载波频率从1 kHz升高至4 kHz，TIS响应幅度逐渐降低。

综上，图1 验证了TIS能够有效在IL区产生包络调制，并揭示了电流比、幅度和载波频率对刺激效果的影响规律。

 

HUIYING

TIS多对电极相位调制策略概述

 

为了克服上述局限性，作者提出并验证了一种多对电极相位调制 TIS 策略，即在前述双电极对（TIS 源）的基础上，引入第三对电极，该电极对输送一个与其中一组 TIS 电场相位相反（180° 偏移）的 kHz 电场，称为“抵消场”。整体形成一种三对电极构型（文中称为 tripole 或 front tripole / lateral tripole）。该策略的核心思想并非简单增加刺激强度，而是利用电场之间的空间干涉模式：在目标区域，抵消场与 TIS 场形成部分破坏性干涉，从而允许精细调控局部电场强度；而在脱靶区域，通过合理布置抵消电极的位置和幅度，可选择性地抑制非目标区的电场包络，而不显著削弱靶区的刺激效果。文中将这一过程描述为“主动相位驱动的场抵消”（active phase cancellation）。在计算模型中，作者模拟了随着抵消场幅度逐步增加时，IL 区内 TIS 包络场的变化。结果呈现一个对称的“双高斯”型曲线：开始阶段，抵消场增强导致靶区 TIS 幅度下降（破坏性干涉）；当抵消场超过一定阈值后，反而与其中一个 TIS 场发生建设性干涉，导致幅度回升（文中称之为 side induction）。这一特性使得抵消权重存在一个最优点，恰好对应靶区刺激最小化或脱靶区刺激选择性抑制的窗口（如图5B、5C所示）。

 

作者进一步将这一策略应用于两种具体配置：

前三角配置（front tripole）：抵消电极位于目标区前方（额部），用于验证抵消场能否主动抑制靶区本身的 TIS 响应。

侧向三角配置（lateral tripole）：抵消电极位于脱靶区（如同侧运动皮层）附近，用于检验是否可以选择性抑制邻近脱靶区，而保留靶区刺激。

两种配置均通过手术植入三对电极实现，并在在体 LFP 记录下实时调整抵消权重，以确定每只动物个体化的最佳抵消参数。

 

HUIYING

TIS多对电极相位调制策略如何解决脱靶效应

 

该策略解决脱靶效应的核心机制是空间选择性破坏性干涉。具体而言，TIS 的脱靶效应往往源于电场包络在非目标区域的不必要分布。通过引入一个位置、幅度经过优化的反相电场，可以局部削弱该区域的净包络强度，而不需要整体降低刺激电流或改变主 TIS 电极位置。

在侧向三角配置的实验中，作者将抵消电极置于同侧运动皮层（MOp(ipsi)）附近，而目标区仍为 IL。他们同时在 IL、同侧 MOp 和对侧 MOp 三个脑区记录 LFP，并分别绘制每个区域的“取消曲线”（即 TIS 幅度随抵消权重的变化曲线）。结果显示，三个曲线的最低点（最小 TIS 幅度）对应的抵消权重不同：由于同侧 MOp 离抵消电极最近，其最低点出现在较小的抵消权重下；而 IL 和对侧 MOp 的最低点则需要更大的抵消权重（如图6B所示）。这一差异意味着，存在一个抵消权重窗口，在该窗口内，同侧 MOp 的 TIS 刺激被显著抑制，而 IL 区的刺激仍保持较高水平。

作者进一步计算了聚焦性指标：定义为 IL 区 TIS 幅度与同侧 MOp 区 TIS 幅度的比值。结果发现，传统 dipole 配置的聚焦性约为 6 ± 2，而经过优化的 lateral tripole 配置将聚焦性显著提升至 15 ± 4（如图6C所示）。与此同时，fMRI 全脑分析也证实，前三角配置下目标区（IL、前扣带回等）的 BOLD 响应显著低于 dipole 配置（如图5D所示），表明主动抵消确实能够有效削弱靶区本身的刺激——这虽然不直接解决脱靶，但验证了该方法的可控性。而在脱靶抑制方面，侧向三角配置实现了在不影响 IL 刺激的前提下，选择性降低邻近运动皮层的异常激活。

因此，该策略并非消除所有脱靶效应，而是提供了一种可调谐的空间滤波机制，使研究者能够针对特定的脱靶热点进行局部抑制，从而显著改善 TIS 的神经调控聚焦性。

 

HUIYING

实验研究：研究方法

 

研究方法

动物与手术：使用成年雄性 C57BL/6J 小鼠。在全身麻醉下进行立体定位手术，植入刺激电极（Teflon 包被银丝，直径 0.25 mm）和记录电极（34 AWG 不锈钢丝）。电极位置依据 Paxinos 图谱及 Allen CCFv3 坐标确定。对于三对电极配置，共植入三对刺激电极。同时，部分动物在 IL 区注射 AAV1-hsyn-jGCaMP8m 并植入光纤，用于光纤光度法记录钙信号。（如图2）

 

 

图2 慢性植入电极的设计与手术固定

 

图2 详细展示了用于fMRI实验的慢性刺激植入物结构，包括Teflon包被的银丝电极、多层聚四氟乙烯（PTFE）热缩管同轴绝缘层、微型插针（minipin）以及牙科水泥固定方式。图2 中还显示了电极尖端暴露0.5 mm以稳定接触皮层，以及各电极对在颅骨上的实际放置位置。该设计确保了在7T MRI强磁场环境下电极的稳定性与安全性，并最大限度地减少了磁化率伪影。

 

电刺激参数：使用三台独立的 DS5 恒流刺激器。TIS 条件：一对电极输出 2,000 Hz，另一对输出 2,005 Hz，形成 5 Hz 包络；主动假刺激：两对均输出 2,000 Hz。刺激电流通常为 5–20 μA（每对），包含 500 ms 上升/下降斜坡，持续 10–30 秒。抵消场相位与其中一组 TIS 电场相差 180°，其幅度以“抵消权重”形式逐级调整。（如图3）

 

 

图3 主动相位抵消原理在 tACS 低频振荡中的推广

 

图3将相同的相位抵消策略应用于传统经颅交流电刺激（tACS），即采用一对tACS电极（低频，如5 Hz）和一对反相低频场电极，同样观察到随着反相场幅度增加，记录区的电场幅度先降后升的双高斯曲线。这表明主动相位抵消不仅适用于kHz载波的TIS，也可推广至Hz量级的常规tACS，为改善tACS的聚焦性提供了一种新的调制模式。

 

电生理记录：使用 Intan RHS 控制器采集 LFP（20 kHz 采样率）。离线处理采用希尔伯特变换提取包络，并采用 Morlet 小波提取目标频率（如 5 Hz）的幅度与相位。

光纤光度法：采用 Doric 系统，交替激发 465 nm（GCaMP）和 405 nm（对照），采样率 12 kHz。计算 ΔF/F，并进行事件相关分析和频谱分析（FFT），以评估钙信号是否与包络频率同步。

fMRI 采集：7T Bruker 扫描仪，EPI 序列，TR/TE = 1.5 s / 15 ms，体素分辨率 0.2×0.2×0.4 mm³。每个扫描包含 8 个刺激块（30 秒刺激 + 60 秒基线）。使用 FSL 进行预处理和一般线性模型分析，簇阈值 p<0.05，z>1.9。

计算建模：使用 Sim4Life（dipole 优化）和 COMSOL（tripole 干涉模拟）。模型基于 Allen CCFv3 和真实小鼠解剖数据，求解准静电场方程，网格分辨率达 0.05–0.1 mm。

 

HUIYING

实验研究：研究结果

 

研究结果

TIS 有效性验证：在 IL 区记录到清晰的包络频率 LFP 响应，且响应幅度与刺激电流成正比，与载波频率呈反比（如图1E–1G 所示）。光纤光度法证实 IL 区神经元钙信号在 TIS 期间出现与包络频率一致的周期性波动，而主动假刺激仅引起短暂的起始响应，无持续夹带。

脱靶效应的识别：fMRI 全脑分析显示，TIS 不仅激活 IL，还显著激活同侧和对侧运动皮层、海马、丘脑等多个区域（如图4C 所示）。主动假刺激同样引起部分脑区的 BOLD 增强（如图4F 所示），表明 kHz 场本身具有非特异性效应。

 

 

图4 TIS 的脱靶效应与全脑 BOLD 响应分布

 

图4 通过功能磁共振成像（fMRI）和局部场电位（LFP）联合分析，系统揭示了传统双电极对TIS的脱靶效应。

图4A 示意了靶向IL区的电极配置。

图4B的LFP记录显示，虽然IL区响应最强，但同侧运动皮层（MOp(ipsi)）、对侧运动皮层（MOp(contra)）和海马（HIP）等区域也检测到显著的TIS包络幅度。

图4C的fMRI全脑图进一步证实，TIS不仅激活IL，还广泛激活运动皮层、丘脑（TH）和上丘（SC）等非靶区。

图4D–图4F 对比了TIS与主动假刺激的BOLD响应，发现主动假刺激同样能在部分脑区（尤其是感觉相关区域）引起显著激活，提示kHz载波本身具有非特异性调控效应。

图4 明确指出传统TIS的空间聚焦性不足，脱靶效应是其向临床应用转化的主要障碍。

 

相位抵消场的效果：

前三角配置下，随着抵消场幅度增加，IL 区 TIS 幅度呈现对称的双高斯下降–上升曲线，fMRI 证实目标区（IL、ACA）的 BOLD 响应显著低于 dipole 配置（如图5D 所示）。

 

 

图5 前三角配置（Front Tripole）的主动相位抵消验证

 

图5 系统展示了前三角配置（front tripole）下主动相位抵消策略从电极布局、计算模拟到在体验证及全脑功能成像的完整过程。

图5A 示意了两对TIS电极靶向边缘下区（IL），第三对抵消电极位于额部中线偏外侧（fronto-medial-lateral location），用于产生与其中一组TIS电场反相（180°偏移）的抵消场；

图5B 进一步说明了该取消电场与原有TIS电场的空间关系及干涉原理。

图5C 展示了计算模拟中随着抵消权重（canceling weight，归一化幅度从-1到1）逐步增加时，IL区TIS包络场强的变化曲线，呈现先下降后上升的对称双高斯形状，分别对应破坏性干涉（cancellation，权重-1至0）与建设性干涉（side induction，权重0至1）两个阶段。

图5D 为fMRI全脑分析结果，显示前三角配置下目标区（如前扣带回ACA和边缘下区IL）的BOLD响应显著低于传统双电极配置（dipole），证明抵消场成功削弱了靶区刺激。

图5E 量化了全脑非特异性激活，发现前三角配置在纹状体束旁核、丘脑腹外侧核和上丘等区域诱发了比dipole更强的BOLD信号变化，作者认为这可能源于额外kHz电场放大了主动假刺激相关的非特异性效应。

综上，图5 从多尺度验证了前三角主动相位抵消的可行性及其对靶区的抑制效果，同时也提示需关注额外电场引入的非特异性激活。

 

侧向三角配置下，可以在特定抵消权重窗口内，选择性抑制同侧 MOp 的 TIS 响应，同时保持 IL 区的响应。聚焦性指标从 dipole 的 6 ± 2 提高到 tripole 的 15 ± 4（如图6C 所示）。

取消曲线的最低点在三个脑区间存在显著偏移，证明了空间选择性（如图6B 所示）。MOp(ipsi) 的取消曲线：由于该区域离抵消电极最近，其最小 TIS 幅度（即曲线最低点）出现在较小的抵消权重处。也就是说，只需要很小的反相场就能有效压制同侧运动皮层的脱靶激活。IL 的取消曲线：其最低点出现在中等较大的抵消权重处，因为 IL 离抵消电极相对较远。MOp(contra) 的取消曲线：其最低点出现在更大的抵消权重处，因为它离抵消电极最远。三个脑区的取消曲线在横坐标上发生了显著的偏移。这一偏移意味着：存在一个抵消权重窗口（即图6B中灰色竖条所示的权重范围），在该窗口内，MOp(ipsi) 的 TIS 幅度已被显著抑制（接近其最低点），而 IL 的 TIS 幅度仍远未达到最低点（仍保持较高水平）。这就实现了空间选择性抑制——只压制脱靶区，不削弱靶区。

 

 

图6 侧向三角配置（Lateral Tripole）选择性抑制脱靶效应并提高聚焦性

 

图6 将抵消电极置于脱靶热点——同侧运动皮层（MOp(ipsi)）附近，旨在选择性抑制该区域的TIS响应而不削弱目标区IL。

图6A 为侧向三角电极放置示意图。

图6B 显示在IL、MOp(ipsi)和MOp(contra)三个脑区同时记录的取消曲线，三者的最低点（最小TIS幅度）对应的抵消权重存在显著偏移：MOp(ipsi)由于离抵消电极最近，其最低点出现在最小权重处，而IL和MOp(contra)需要更大权重才能被抑制。这意味着存在一个抵消权重窗口，在该窗口内MOp(ipsi)的TIS被显著抑制，而IL仍保持较高刺激水平。

图6C 计算了聚焦性指标（IL幅度/MOp(ipsi)幅度），传统dipole配置的聚焦性约为6 ± 2，而优化后的lateral tripole配置提升至15 ± 4，提高了约2.5倍。

图6 直接证明了多对电极相位调制策略能够空间选择性地抑制脱靶效应，显著改善TIS的神经调控聚焦性。

 

机制确认：离体实验（安乐死后 1 小时以上）同样观察到类似的取消曲线，说明该现象不依赖于活体组织的主动电导特性，而是由被动电场干涉主导。

 

HUIYING

结果总结

 

综合以上研究，作者得出以下主要结论：

传统 TIS 确实存在空间聚焦性不足的问题，其电场包络会广泛分布于多个皮层和皮层下区域，且 kHz 场本身也可能引起非特异性神经激活。这些脱靶效应无法仅通过优化电极位置或降低刺激幅度完全消除。

多对电极相位调制策略（三对配置）能够有效改善 TIS 的聚焦性。通过引入一个与其中一组 TIS 电场反相的第三电场，可以在空间上产生可控的破坏性干涉，从而在特定脑区（如同侧运动皮层）选择性削弱 TIS 强度。

该策略解决脱靶效应的核心在于利用不同脑区对抵消场的敏感性差异，寻找一个抵消权重窗口，使得脱靶区受到最大抑制而靶区保持有效刺激。实验证明，聚焦性指标可提高约 2.5 倍。

该研究提供了多层次（电生理、钙成像、fMRI、计算模型）的一致证据，验证了主动相位抵消的可行性和机制。这种方法不依赖于增加载波频率或减少包络幅度，因此对靶区刺激强度的牺牲较小。

研究局限性：所有实验均在麻醉或离体条件下进行，清醒行为状态下的效果尚需验证。此外，三对电极配置引入了额外的 kHz 场，可能增加非特异性感觉刺激或传导阻断风险，在转化应用中需谨慎评估。

 

总体而言，该研究提出并验证了一种主动相位驱动的多对电极 TIS 新策略，显著提升了非侵入性深部脑刺激的空间精度，为未来神经精神疾病的精准调控治疗提供了有前景的技术基础。