利用脉冲波时序干扰刺激增强深度脑同步：不同载波波形的比较研究

《Neuromodulation: Technology at the Neural Interface》：Enhancing Deep Brain Entrainment With Pulse Wave Temporal Interference Stimulation: A Comparative Study of Carrier Waveforms

经颅干扰刺激（tTIS）通过高频载波调制深脑局部场电位（LFP）包络振荡，本研究比较了正弦波与脉冲波载波效果。采用最小猪模型植入深脑电极，发现两者在 kilohertz 范围内均能有效诱导 Δf 频率的包络振荡，且强度-响应关系符合对数正态分布。脉冲波组刺激产生的包络功率谱密度更高，且硬件实现更便捷。

　　

林晓春|吴怡慧|柯明斗

台湾新竹国立阳明交通大学生物医学电子转化研究中心

摘要

目的

经颅颞部干扰刺激（tTIS）是一种新型的非侵入性神经调节技术，它利用高频载波来诱发大脑深部区域的低频包络振荡。尽管传统的tTIS主要使用正弦波作为载波，但其他波形（如脉冲波）的有效性尚未得到充分研究。本研究旨在比较正弦波和脉冲波载波在tTIS中对大脑深部结构神经活动的影响。

材料与方法

在本研究中，我们使用了植入深部脑电极的迷你猪模型，分别应用正弦波和脉冲波载波进行tTIS实验。我们记录了局部场电位（LFPs）以评估神经同步现象。最大刺激强度设定为2V。我们的分析重点是比较两种载波的刺激-反应关系，评估不同载波频率的效果，并测量正弦波和脉冲波tTIS所诱导的包络振荡范围。

结果

正弦波和脉冲波tTIS都在大脑深部产生了相似的包络振荡。两种波形的刺激强度与LFP反应之间的关系均遵循对数正态分布。当载波频率在千赫兹范围内时，能够有效产生包络振荡；即使载波频率低于300 Hz，也仍能观察到可测量的效果。值得注意的是，脉冲波刺激产生的包络功率谱更为强烈。

结论

脉冲波和正弦波都是有效的tTIS载波，但由于脉冲波的普及程度更高且具有更强的同步效果，因此在实际应用中更具优势。这些发现支持在未来的研究中同时使用这两种波形，以探讨tTIS的长期神经调节作用。

引言

经颅颞部干扰刺激（tTIS）是一种新型的非侵入性神经调节技术，用于调节大脑深部的神经活动。¹该方法通过在头皮上放置两对刺激电极，施加两个略有差异的高频（千赫兹）载波（例如f1和f1+Δf）。由于高频电刺激本身不会直接引发神经元活动，因此它能够有效地在大脑深层区域解调由频率差（Δf）产生的电场，从而在Δf处产生包络振荡。¹虽然这种包络振荡的幅度不会直接触发动作电位，但长期暴露于tTIS可能影响神经可塑性，使其成为一种有前景的神经调节方法。尽管tTIS已在多种动物研究和临床试验中得到验证^{1, 2, 3, 4, 5，但仍需进一步探讨其背后的机制。}

微弱的交变电场可以诱发神经活动中的特定振荡频率，这种同步放电可以通过局部场电位（LFPs）进行测量。^{10, 11, 12}我们之前的研究表明，应用于迷你猪头皮的正弦波tTIS可以影响大脑深部的神经活动。¹³我们通过监测植入深部脑区的电极中的LFP变化来观察正弦波tTIS的效果。然而，脉冲波tTIS是否也能在大脑深部诱发包络振荡仍不确定。由于两个不同频率的脉冲波叠加产生的波形具有脉冲宽度调制特性，而非正弦波那样的幅度调制特性¹⁴，因此需要进一步研究脉冲波刺激对大脑深部LFP的影响。

本研究使用植入深部脑刺激（DBS）电极的迷你猪模型，对两侧同时施加正弦波和脉冲波tTIS，并记录并比较了这两种刺激方式对深部脑LFP的影响。如果脉冲波tTIS的效果与正弦波tTIS相当，那么由于其硬件实现的便捷性，它可能更适用于长期应用。

实验动物

本研究使用了3只雄性实验室迷你猪，年龄在10至12个月之间，体重在34至41公斤之间。其中一只为李松品种的迷你猪，其部分数据已发表在之前的文章中¹³；不过本研究中的数据尚未公开。另外两只为兰玉品种，与李松品种具有相似的遗传特征。李松品种的迷你猪来自动物科学系

结果

本研究比较了正弦波和脉冲波tTIS对迷你猪大脑深部LFPs的影响。尽管刺激波形不同，但在两侧头皮的刺激电极上施加千赫兹频率的正弦波和脉冲波tTIS时，大脑深部LFPs均记录到了相似的包络振荡（见图1c）。包络振荡频率即为两个高频载波频率之间的差值（Δf）。

讨论

本研究使用植入深部脑电极的迷你猪来探讨正弦波和脉冲波tTIS对大脑深部LFPs的影响。结果表明，无论使用正弦波还是脉冲波，tTIS都以刺激强度依赖的方式影响大脑深部LFPs。当tTIS电极的载波频率低于1 kHz时，大脑深部不会产生包络振荡。相反，当载波频率较高时

结论

tTIS可以通过高频载波在特定频率下诱发大脑深部的包络振荡，从而可能影响深部神经网络的动态。本研究通过评估正弦波和脉冲波tTIS对植入深部脑电极的迷你猪LFPs的影响，提供了直接的电生理学证据。tTIS是一种用于调节大脑深部区域的神经调节工具；然而，仍需进一步研究其在脑疾病中的应用。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

致谢

作者感谢NCB在动物实验方面提供的技术支持，同时也感谢国家仪器研究中心在磁共振和CT图像采集方面的协助。

作者贡献

林晓春和柯明斗构思并设计了本研究。林晓春和吴怡慧负责实验的实施和数据分析。林晓春准备了初稿，吴怡慧和柯明斗对初稿进行了审阅。