心理所合作研究描绘跨生命周期的高精度经颅电刺激神经调控电场变化

经颅电刺激（tES）是一种非侵入性神经调控手段，因其安全、易用且成本较低的优势，被广泛用于调控多种认知功能及辅助神经精神类疾病的治疗。2009年提出的高精度经颅电刺激（HD-tES）布局，更是有效提高了tES的空间分辨率。然而，由于头部解剖结构个体差异的原因，tES的调控效果存在较强的个体间变异性。因此，个性化调整电刺激方案已逐渐受到重视，有望减少因头部解剖结构不同而引起的tES电场个体差异，进一步优化调控效果。既往的个体化tES研究在研究对象范围和样本量方面仍有局限，对HD-tES的关注不足，同时对物理效应个体差异背后的关键解剖因素也缺乏深入理解。
中国科学院心理研究所涂毅恒研究员团队与北京天坛医院放射科刘亚欧团队开展了一项合作研究，利用跨生命周期的磁共振成像（MRI）数据，结合数值模拟方法揭示了HD-tES常见靶向脑区内的刺激电场在不同人口学群体间的差异，并以人口学变量合理划分群体头部模型，编写了以不同群体头模为基础的tES电场模拟工具。该研究提供了适用于黄种人的tES调控模板，为tES在中国群体中的个性化实施提供了参考。

针对tES物理效应个体差异的研究现状，研究首先纳入了1616例12至100岁白种人和黄种人的磁共振结构像数据，以非侵入性的方法捕获精细的头部解剖结构特征，并采用数值方法计算每名被试头部结构内的电场分布。研究分析了在科学研究和临床治疗中最常使用的前额区和运动区HD-tES刺激布局下，不同人口学群体之间靶向脑区的物理刺激强度的差异。结果表明，靶向脑区电场强度随年龄增长而降低，且在25岁前场强随年龄呈现急剧下降趋势（图1）。此外，在黄种人群体中发现电场强度存在年龄和性别间的交互效应，但未见于白种人。这说明电场强度的变化趋势也受到性别和种族因素的影响。进一步分析头部解剖因素后发现，解释颅内电场变异性的关键头部解剖因素依次为中心电极下的颅骨厚度、头皮厚度和脑脊液厚度（图2）。研究还发现，这些结论同样适用于阿尔兹海默症患者群体。

图1: 利用跨生命周期的MRI结构像数据，借助数值模拟的方法，绘制不同性别和种族人群中tES靶向脑区内电场强度随年龄变化的曲线

图2: 影响tES靶向脑区电场强度的关键头部解剖结构因素

随后，研究初步探索了模拟得到的颅内电场分布和刺激同步功能磁共振成像记录到的神经响应分布之间的关联。运用tES同步磁共振成像技术，研究进一步发现电场分布的模拟值和靶向脑区的功能活动分布之间存在空间一致性，即相较于HD-tES假刺激组，真刺激诱发的大脑活动变化最强点与模拟得到的场强最高点位置更为接近，这提示模拟得到的最大场强位置一定程度上可以反映脑活动变化最显著的位置（图3）。但是，结果也表明，真刺激对脑功能连接性的调控效应较为弥散，体现为与模拟得到的场强最高点位置之间的距离相较于假刺激组不具有显著差异。

图3: 利用tES同步磁共振成像技术，探究电场模拟值和实际脑激活间的联系

以上结果提示，MRI引导的tES电场模拟可以指导设计调控方案。而现有的电场模拟工具大多使用基于西方人MRI结构像的头模，缺乏基于亚洲人标准头模的算例资源，这导致中国研究者在获取同等质量的使用体验时需承担更高的费用和时间成本。因此，该研究在现有MRI数据累积的基础上编写了tES电场计算的开源工具tESview，其中包含按年龄分层的头部模型，有助于快速计算不同群体、任意刺激排布下的tES电场分布，特别是提供了中国人群体的头部模型，便于中国研究者使用（tESview下载链接：https://github.com/tulab-brain/tESview/releases/tag/v1.0）。

综上，该研究定量描述了HD-tES在不同人口学群体中的颅内电场在跨生命周期上的变化规律，揭示了影响靶向脑区场强最主要的因素，并为个性化tES方案提供了有利的工具和资源。未来研究可通过关键性解剖因素建立电场强度的预测模型，以促进更为经济有效的tES个体化方案得以应用。同时，还需将研究范围扩展至更多神经和精神类疾病患者，推动个体化tES在临床中的进一步应用。

该研究获得了国家自然科学基金项目（32171078，32322035）、科技创新2030-脑科学与类脑研究重大项目（2022ZD0206400）、中国科协青年人才托举工程和中国科学院心理研究所研究经费的资助。

相关成果以长文（Article）形式在线发表于Science Bulletin。心理所硕士毕业生马炜玮为论文第一作者，北京天坛医院放射科刘亚欧主任和心理所涂毅恒研究员为论文共同通讯作者。

论文信息：

Ma, W.W., Wang, F.X., Yi, Y.Y., Huang, Y., Li, X.Y., Liu, Y.O.# & Tu, Y. H. #, Mapping the Electric Field of High-Definition Transcranial Electrical Stimulation Across the Lifespan, Science Bulletin, https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.10.001