Measurement and Simulation of Temporally Interference Stimulation in Non-Human Primates

无创性脑刺激是在人类被试中进行脑功能研究的一种重要干预手段，同时也是治疗部分精神疾病的调控手段。其中，通过向被试头皮施加微弱电流来形成颅内电场并影响内部神经活动的方法叫做经颅电刺激，该技术具有操作简便、造价低和便携性高的特点，但同时也面临着聚焦性差和刺激深度较浅的问题。 基于此，有研究者提出了使用时域干涉电场的方式来实现更深部以及更聚焦的脑刺激，相比与传统经颅交流电刺激信号，该时域干涉信号有不易衰减且在深部区域强度较高的特点。目前，该方法已在麻醉小鼠中被验证了能在不影响浅层区域活动的情况下成功调控海马神经元活动，但对于其在颅骨体积较大以及内部解剖结构更为复杂的人类被试中是否能到达有效的刺激深度及强度尚未可知。很多研究者通过计算机仿真模型对时域干涉方法在人类大脑中的电场强度及分布进行了预测，认为其在深部区域可以达到在以往经颅交流电刺激中显示有阈下调控作用的 0.2 V/m 电场强度，但此结果仍然缺少动物实验数据的支持。 本研究采用颅内立体电极技术对时域干涉刺激在非人灵长类动物颅内的真实强度分布进行测量记录，并结合仿真模拟对全脑强度分布进行更全面的分析判断。结果显示，刺激在颅内的分布符合中心区域高外周区域低的特点，并且在 2mA 的人类头皮安全电流下，中心区域的平均强度可达到 0.2 V/m 以上，最大强度甚至可达到 0.4～0.5 V/m，说明时域干涉刺激达到了作为无创深部脑刺激在较大型颅骨中应用的基本深度和强度要求。此外，我们搭建了一套可为单个被试针对特定靶点进行仿真优化的完整流程，并在不同被试中筛选出了聚焦于靶点且强度符合要求的外部刺激组合，说明了对单个被试进行独立仿真的重要性以及时域干涉刺激的灵活性与聚焦性。 此研究填补了时域干涉刺激在接近人类的较大型颅内的数据空白，并结合仿真数据验证了其作为无创深部脑刺激在人类被试中应用的潜能，为该技术在人类被试中的应用发展提供重要参考