心理所研究采用颅内脑电证实基于时域干涉的无创深部脑刺激干预效果

经颅交流电刺激（transcranial alternative electric stimulation，tACS）是一种常用的无创神经调控手段，可以通过头皮上放置的电极施加交流电刺激影响大脑神经活动，但其受头皮、颅骨等组织的衰减较强，无法触及大脑深部区域。时域干涉（Temporal Interference, TI）方法的提出使得无创深部脑刺激成为可能，该方法将两对高频刺激信号同时输入在头皮上放置的刺激电极，在大脑内部特定区域会形成较强交叠电场，并以高频频率差为周期波动，合成的调制信号可以克服传统经颅电刺激干预深度不足、电场弥散等问题，TI调控方法的有效性已在大鼠模式动物上得到验证。对于更大尺寸的大脑而言，受脑内电场强度衰减与安全电流上限等因素的限制，TI能否干预深部脑活动仍有待验证。

中国科学院心理研究所王亮研究组借助立体定向电极（stereo-electroencephalography, SEEG）在两只非人灵长类恒河猴中对不同参数TI刺激在颅内产生的电场强度进行了系统测量，实验数据与有限元仿真模型结果进行了比对，证实了TI靶向深部脑区的有效性以及作为无创深部脑刺激技术的应用可行性。该研究依托团队自主研发的多通道差频时域干涉的无创深部脑刺激设备完成（已授权国家发明专利）。

在这项研究中，每只猕猴被植入5-6根SEEG电极，沿大脑左右半球中线依次向外排布。外部刺激电极的设计目的在于使电场沿中线矢状面集中分布，测量结果显示，TI电场在中心电极（靠近中线位置）强度最高，与预期一致。在1mA的外部刺激总电流强度下，深部电极附近的TI电场可达到0.2 V/m (图1)，在2 mA下，最高值可达0.5 V/m，揭示了安全电流强度下的TI电场靶向深部区域的有效性。

图1. TI电场强度在猴子颅内的分布情况及部分触点的信号波形展示

之后，基于脑成像数据生成的有限元头模型，仿真得到TI电场在全脑的分布情况。提取出对应植入电极位置的仿真电场值，并与实测结果计算相关性。在一定前提下，计算仿真对电场分布的预测较为准确，但对具体数值的预测存在差异（图2），同时发现随着频率的升高，预测准确度有所下降，提示对高频刺激的仿真可能与传统经颅电刺激仿真不同，需要考虑不同频率下组织传导性的变化。

图2. 基于头模的TI电场仿真及仿真结果与实测结果的比较

最后，在2名帕金森患者和1名特发性震颤患者中进行的TI初步临床测试显示，针对黑质区域的1.5-2 mA 的TI刺激（持续时间10-20分钟）在靶点位置强度可达0.2 V/m （图3）,对静止性震颤症状起到了明显缓解作用，提示了TI刺激在未来临床研究中的可行性与安全性。

图3. 三名患者黑质区域TI电场强度

该研究得到了国家自然科学基金（32020103009, 82201634），科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目（2022ZD0205000）等项目支持。

论文第一作者为心理所博士生刘若冰和首都医科大学附属北京天坛医院神经外科朱冠宇博士（共同一作），通讯作者为心理所王亮研究员。三江学院吴正平副教授、北京天坛医院神经外科张建国主任和甘逸飞，心理所刘佳丽博士（已毕业）也做出了重要贡献。该研究成果已在线发表在Neuroimage。

论文信息：

Ruobing Liu #, Guanyu Zhu #, Zhengping Wu, Yifei Gan, Jianguo Zhang, Jiali Liu, Liang Wang* (2024). Temporal interference stimulation targets deep primate brain. NeuroImage. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2024.120581