心理所研究采用顱內腦電證實基于時域干涉的無創深部腦刺激干預效果

經顱交流電刺激（transcranial alternative electric stimulation，tACS）是一種常用的無創神經調控手段，可以通過頭皮上放置的電極施加交流電刺激影響大腦神經活動，但其受頭皮、顱骨等組織的衰減較強，無法觸及大腦深部區域。時域干涉（Temporal Interference, TI）方法的提出使得無創深部腦刺激成為可能，該方法將兩對高頻刺激信號同時輸入在頭皮上放置的刺激電極，在大腦內部特定區域會形成較強交疊電場，并以高頻頻率差為周期波動，合成的調制信號可以克服傳統經顱電刺激干預深度不足、電場彌散等問題，TI調控方法的有效性已在大鼠模式動物上得到驗證。對于更大尺寸的大腦而言，受腦內電場強度衰減與安全電流上限等因素的限制，TI能否干預深部腦活動仍有待驗證。

中國科學院心理研究所王亮研究組借助立體定向電極（stereo-electroencephalography, SEEG）在兩只非人靈長類恒河猴中對不同參數TI刺激在顱內產生的電場強度進行了系統測量，實驗數據與有限元仿真模型結果進行了比對，證實了TI靶向深部腦區的有效性以及作為無創深部腦刺激技術的應用可行性。該研究依托團隊自主研發的多通道差頻時域干涉的無創深部腦刺激設備完成（已授權國家發明專利）。

在這項研究中，每只獼猴被植入5-6根SEEG電極，沿大腦左右半球中線依次向外排布。外部刺激電極的設計目的在于使電場沿中線矢狀面集中分布，測量結果顯示，TI電場在中心電極（靠近中線位置）強度最高，與預期一致。在1mA的外部刺激總電流強度下，深部電極附近的TI電場可達到0.2 V/m (圖1)，在2 mA下，最高值可達0.5 V/m，揭示了安全電流強度下的TI電場靶向深部區域的有效性。

圖1. TI電場強度在猴子顱內的分布情況及部分觸點的信號波形展示

之后，基于腦成像數據生成的有限元頭模型，仿真得到TI電場在全腦的分布情況。提取出對應植入電極位置的仿真電場值，并與實測結果計算相關性。在一定前提下，計算仿真對電場分布的預測較為準確，但對具體數值的預測存在差異（圖2），同時發現隨著頻率的升高，預測準確度有所下降，提示對高頻刺激的仿真可能與傳統經顱電刺激仿真不同，需要考慮不同頻率下組織傳導性的變化。

圖2. 基于頭模的TI電場仿真及仿真結果與實測結果的比較

最后，在2名帕金森患者和1名特發性震顫患者中進行的TI初步臨床測試顯示，針對黑質區域的1.5-2 mA 的TI刺激（持續時間10-20分鐘）在靶點位置強度可達0.2 V/m （圖3）,對靜止性震顫癥狀起到了明顯緩解作用，提示了TI刺激在未來臨床研究中的可行性與安全性。

圖3. 三名患者黑質區域TI電場強度

該研究得到了國家自然科學基金（32020103009, 82201634），科技創新2030-“腦科學與類腦研究”重大項目（2022ZD0205000）等項目支持。

論文第一作者為心理所博士生劉若冰和首都醫科大學附屬北京天壇醫院神經外科朱冠宇博士（共同一作），通訊作者為心理所王亮研究員。三江學院吳正平副教授、北京天壇醫院神經外科張建國主任和甘逸飛，心理所劉佳麗博士（已畢業）也做出了重要貢獻。該研究成果已在線發表在Neuroimage。

論文信息：

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