心理所合作研究描繪跨生命周期的高精度經顱電刺激神經調控電場變化

經顱電刺激（tES）是一種非侵入性神經調控手段，因其安全、易用且成本較低的優勢，被廣泛用于調控多種認知功能及輔助神經精神類疾病的治療。2009年提出的高精度經顱電刺激（HD-tES）布局，更是有效提高了tES的空間分辨率。然而，由于頭部解剖結構個體差異的原因，tES的調控效果存在較強的個體間變異性。因此，個性化調整電刺激方案已逐漸受到重視，有望減少因頭部解剖結構不同而引起的tES電場個體差異，進一步優化調控效果。既往的個體化tES研究在研究對象范圍和樣本量方面仍有局限，對HD-tES的關注不足，同時對物理效應個體差異背后的關鍵解剖因素也缺乏深入理解。
中國科學院心理研究所涂毅恒研究員團隊與北京天壇醫院放射科劉亞歐團隊開展了一項合作研究，利用跨生命周期的磁共振成像（MRI）數據，結合數值模擬方法揭示了HD-tES常見靶向腦區內的刺激電場在不同人口學群體間的差異，并以人口學變量合理劃分群體頭部模型，編寫了以不同群體頭模為基礎的tES電場模擬工具。該研究提供了適用于黃種人的tES調控模板，為tES在中國群體中的個性化實施提供了參考。

針對tES物理效應個體差異的研究現狀，研究首先納入了1616例12至100歲白種人和黃種人的磁共振結構像數據，以非侵入性的方法捕獲精細的頭部解剖結構特征，并采用數值方法計算每名被試頭部結構內的電場分布。研究分析了在科學研究和臨床治療中最常使用的前額區和運動區HD-tES刺激布局下，不同人口學群體之間靶向腦區的物理刺激強度的差異。結果表明，靶向腦區電場強度隨年齡增長而降低，且在25歲前場強隨年齡呈現急劇下降趨勢（圖1）。此外，在黃種人群體中發現電場強度存在年齡和性別間的交互效應，但未見于白種人。這說明電場強度的變化趨勢也受到性別和種族因素的影響。進一步分析頭部解剖因素后發現，解釋顱內電場變異性的關鍵頭部解剖因素依次為中心電極下的顱骨厚度、頭皮厚度和腦脊液厚度（圖2）。研究還發現，這些結論同樣適用于阿爾茲海默癥患者群體。

圖1: 利用跨生命周期的MRI結構像數據，借助數值模擬的方法，繪制不同性別和種族人群中tES靶向腦區內電場強度隨年齡變化的曲線

圖2: 影響tES靶向腦區電場強度的關鍵頭部解剖結構因素

隨后，研究初步探索了模擬得到的顱內電場分布和刺激同步功能磁共振成像記錄到的神經響應分布之間的關聯。運用tES同步磁共振成像技術，研究進一步發現電場分布的模擬值和靶向腦區的功能活動分布之間存在空間一致性，即相較于HD-tES假刺激組，真刺激誘發的大腦活動變化最強點與模擬得到的場強最高點位置更為接近，這提示模擬得到的最大場強位置一定程度上可以反映腦活動變化最顯著的位置（圖3）。但是，結果也表明，真刺激對腦功能連接性的調控效應較為彌散，體現為與模擬得到的場強最高點位置之間的距離相較于假刺激組不具有顯著差異。

圖3: 利用tES同步磁共振成像技術，探究電場模擬值和實際腦激活間的聯系

以上結果提示，MRI引導的tES電場模擬可以指導設計調控方案。而現有的電場模擬工具大多使用基于西方人MRI結構像的頭模，缺乏基于亞洲人標準頭模的算例資源，這導致中國研究者在獲取同等質量的使用體驗時需承擔更高的費用和時間成本。因此，該研究在現有MRI數據累積的基礎上編寫了tES電場計算的開源工具tESview，其中包含按年齡分層的頭部模型，有助于快速計算不同群體、任意刺激排布下的tES電場分布，特別是提供了中國人群體的頭部模型，便于中國研究者使用（tESview下載鏈接：https://github.com/tulab-brain/tESview/releases/tag/v1.0）。

綜上，該研究定量描述了HD-tES在不同人口學群體中的顱內電場在跨生命周期上的變化規律，揭示了影響靶向腦區場強最主要的因素，并為個性化tES方案提供了有利的工具和資源。未來研究可通過關鍵性解剖因素建立電場強度的預測模型，以促進更為經濟有效的tES個體化方案得以應用。同時，還需將研究范圍擴展至更多神經和精神類疾病患者，推動個體化tES在臨床中的進一步應用。

該研究獲得了國家自然科學基金項目（32171078，32322035）、科技創新2030-腦科學與類腦研究重大項目（2022ZD0206400）、中國科協青年人才托舉工程和中國科學院心理研究所研究經費的資助。

相關成果以長文（Article）形式在線發表于Science Bulletin。心理所碩士畢業生馬煒瑋為論文第一作者，北京天壇醫院放射科劉亞歐主任和心理所涂毅恒研究員為論文共同通訊作者。

論文信息：

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