調幅經顱電刺激AM-tACS:突破傳統tACS的頻譜困局

傳統tACS的偽影困境

經顱交流電刺激（tACS）作為非侵入性腦刺激技術，通過在頭皮施加與生理節律同步的交變電流來調節神經振蕩活動。然而該技術面臨根本性限制：當刺激頻率（如10Hz）與目標神經振蕩頻率（如alpha節律）重疊時，產生的強電磁偽影會完全掩蓋目標腦電信號。這種頻譜重疊現象使研究人員無法在刺激期間實時記錄神經活動，嚴重阻礙了對tACS在線作用機制的研究。

更復雜的問題在于硬件系統的非線性傳輸特性。通過系統測試揭示：即使采用理論無偽影的AM-tACS技術，刺激和記錄設備的微弱非線性（如數模轉換器、電流刺激器、EEG/MEG放大器等）仍會在調制頻率處重新引入雜散低頻偽影。研究人員測量了四種典型實驗系統的輸入-輸出傳遞函數，采用六階多項式回歸模型進行擬合：

V_out =β_6*V_in^6 +β_5*V_in^5 +β_4*V_in^4 +β_3*V_in^3 +β_2*V_in^2 +β_1*V_in +β_0

所有系統的非線性項系數均顯著偏離零值（p<0.004），導致在記錄AM-tACS信號時，調制頻率f_m及其諧波處出現可測量的偽影。這些偽影幅度雖小（通常比載波頻率信號低2-3個數量級），但在敏感的分析中可能與真實的神經調制效應混淆。

（左列）使用簡化的傳遞函數（TF）對數字調幅（AM）信號進行評估所得的頻譜

AM-tACS的理論突破

為破解上述困局，研究者提出調幅經顱交流電刺激（AM-tACS） 的創新方案。該技術采用獨特的雙頻設計：

高頻載波（f_c >150 Hz，典型值220 Hz）：由于神經元細胞膜的低通濾波特性（截止頻率約100-200 Hz），該成分被顯著衰減

低頻包絡（f_m，如10 Hz alpha頻段）：穿透細胞膜并調制神經活動

AM-tACS雙頻刺激方案

其核心理論優勢在于頻譜分離：AM信號的能量僅分布在載波頻率f_c和兩個邊帶f_c±f_m處，在調制頻率f_m處理論功率為零。這種設計使刺激偽影從目標頻段移出，為實時記錄刺激期間的神經活動創造了可能。

"通過將刺激偽影轉移到更高頻段，AM-tACS優雅地避免了與目標腦振蕩的頻譜重疊問題"

HUIYING

原理機制：從電場生成到神經解碼

波形設計與電場分布

AM-tACS的數學表達式精確描述了其時空特性：

AM_signal(t) = a_stim×[sin(2π·f_c·t) + sin(2π·(f_c + f_m)·t)] / 2

其中f_c為載波頻率（典型值200-1000 Hz），f_m為調制頻率（與目標振蕩匹配，如10 Hz）。值得注意的是，這種波形與時域干擾刺激（TI） 存在本質關聯：TI通過兩路高頻電場（如2000Hz與2010Hz）在深部腦區干涉形成等效AM波形。

電流流向、大腦前后方向的電場強度空間分布和調幅空間分布

電場分布特性呈現顯著空間差異：

皮層區域：主要承受高強度非調制電場（高達80 V/m）

深部腦區：形成高調幅度（>50%）的AM電場

穿透效率：隨載波頻率升高而降低（1 kHz載波需比100 Hz高12倍電場強度）

神經響應機制

生物物理解碼過程

神經元對AM信號的響應依賴于細胞膜的低通濾波特性：高頻載波成分被細胞膜電容顯著衰減（衰減程度與頻率成反比）；低頻包絡穿透膜屏障，通過膜電位極化影響神經元放電；

極化效應在神經網絡中放大，最終夾帶目標振蕩。

計算模型清晰展示了這一過程：當采用f_c=70 Hz載波時，10 Hz調制波能有效鎖定網絡振蕩相位（PLV=0.64）；而f_c=200 Hz時，相同刺激強度下PLV降至0.03。這種差異源于膜濾波對高頻成分的衰減。

衰減程度與頻率成反比

軸突的關鍵作用

最新研究發現軸突是AM信號解碼的核心單元：

時間常數短：軸突膜時間常數（τ_m≈1 ms）遠小于胞體（τ_m≈20 ms），能響應kHz級載波

極化效率高：單位電場產生的軸突極化強度是胞體的4倍

網絡級聯效應：軸突激活觸發突觸傳遞變化，最終調制網絡振蕩

偽影生成機制與對策

盡管AM-tACS理論設計優越，硬件非線性仍是實際應用的瓶頸。可通過六階多項式模型量化非線性失真：

V_out =β_6·V_in^6 +β_5·V_in^5 +β_4·V_in^4 +β_3·V_in^3 +β_2·V_in^2 +β_1·V_in +β_0

各系數統計顯著（p<0.004），其效應表現為：

偶次項（β_2,β_4,β_6）：產生調制頻率f_m的諧波

奇次項（β_3,β_5）：在載波頻率f_c周圍產生邊帶

HUIYING

研究成果：從細胞機制到系統效應

鎖相效能與載波頻率的權衡

研究通過計算模型系統揭示了AM-tACS的頻率-效能矛盾。研究采用包含800個興奮性神經元和250個抑制性神經元的網絡模型，模擬不同載波頻率下的相位鎖定值（PLV）：

神經元的網絡模型

tACS和AM-tACS的相位鎖定對比

關鍵發現：

維持同等PLV（0.6）需電流：f_c=200 Hz時比f_c=70 Hz高42%

能量傳遞效率隨載波頻率升高呈指數衰減

最優載波范圍：70-100 Hz（平衡偽影控制與神經激活）

能量傳遞

劑量閾值與GABA_B的關鍵作用

通過離體海馬切片實驗量化了AM-tACS的生物效應閾值。在卡巴膽堿誘導的γ振蕩（20-40 Hz）模型中，測量不同載波頻率下顯著調制振蕩所需的最小電場強度：

海馬體外實驗中γ 功率的調制

研究進一步發現GABA_B受體介導的抑制在選擇性調控中起核心作用：增強深部腦區對AM電場的動態響應（+40%調制深度）；抑制皮層區對非調制電場的穩態響應；移除GABA_B抑制使深部選擇性降低50%。

HUIYING

應用領域

神經精神疾病精準干預

振蕩障礙治療

帕金森病：靶向基底節病理性beta振蕩（13-30 Hz）

精神分裂癥：糾正前額葉gamma同步缺陷（40 Hz）

抑郁癥：調節前額葉alpha不對稱性

認知功能增強

工作記憶：相位鎖定背外側前額葉theta振蕩（4-8 Hz）

視覺注意：增強頂枕葉alpha節律（8-12 Hz）

運動學習：耦合感覺運動區beta-gamma振蕩

HUIYING

回映產品

1.便攜式HD-tES

回映便攜式高精度經顱電刺激儀(HD-tES)創新地采用type-C轉生物電極的設計使得產品能夠非常便捷地被使用。回映便攜式高精度經顱電刺激儀(HD-tES)通過多電極配置(1個中心電極和4個返回電極)實現高精度電流聚焦,精準刺激目標腦區。其核心優勢在于通過縮小電極尺寸(直徑12mm的環形電極)和增加電極數量,顯著提升刺激的聚焦性和精準性。

HD-otDCS 模式：疊加振蕩電流于直流偏置，同步調節神經元興奮性與節律性活動，高密度電極提升空間精度，頻率特異性與個體化參數優化共振效應。

HD-tDCS模式：調節皮層興奮性,適用于中風康復、抑郁癥干預等。

HD-tACS模式：精準鎖定腦電頻段(如β-γ頻段改善強迫癥,4Hz增強工作記憶)適配認知障礙治療等。

HD-tRNS模式：HD-tRNS 對顯式和隱式計時任務的影響不同,用于研究大腦的計時機制和時間處理能力等。

調幅經顱交流電刺激模式（Amplitude-Modulated Transcranial Alternating Current Stimulation）：通過載波頻率（Carrier Frequency）與調幅頻率（AM Frequency）的協同作用，實現對目標腦區特定低頻神經振蕩（如Delta、Theta、Alpha波）的節律性夾帶（Entrainment），并精準調控跨頻耦合（Cross-Frequency Coupling, CFC）機制（如Theta-Gamma相位-振幅耦合），以優化神經網絡的同步性與功能連接。

適用范圍:神經系統疾病治療，意識障礙和認知功能調節，康復治療，運動和認知功能恢復。認知增強、工作記憶優化及精神分裂癥、抑郁癥等神經精神疾病的網絡同步性調節。

回映便攜式HD-TES設備示意圖

回映自研type-C轉生物電極示意圖

基本參數

刺激強度：-2mA~2mA 連續可調，調節分辨率0.01mA，輸出電流誤差 <=±10%；

刺激時間：0~60min 可調；

刺激頻率：針對于 tPCS/tACS 模式，1Hz ～ 99Hz范圍內可調，頻率步進1Hz， 輸出頻率誤差<=±5%；

淡入淡出時間：0~120s 可調，確保刺激的安全性；

脫落檢測：通過實時阻抗檢測分析電極脫落狀態確保刺激有效性；

相位同步：<=±2.5us; <=0.09°；

2.手持式tES

經顱電刺激調控設備采用低強度的電流（±2mA以內)對大腦皮層的靶區域進行刺激，進而達到調節大腦皮層神經元興奮性、調節腦電波節律、促進神經重塑和修復、改善腦部供血等。

震蕩經顱直流電刺激(otDCS)：改善認知功能、增強聯想記憶，逆轉輕度認知障礙患者的情景記憶衰退等

經顱直流電刺激(tDCS)：治療精神分裂癥、抑郁癥、物質成癮、阿爾茨海默病、腦卒中后的運動功能障礙、語言障礙、認知障礙等

經顱交流電刺激(tACS )：治療視功能障礙、認知障礙,提高學習能力、工作記憶等

經顱脈沖電刺激(tPCS)：增強運動技能,緩解疲勞,促進知覺學習任務、算術任務，調節注意力切換任務的準確性,改善帕金森病患者的步態平衡等

經顱隨機噪聲刺激(tRNS)：治療耳鳴,提高工作記憶、認知能力等

調幅經顱交流電刺激模式（Amplitude-Modulated Transcranial Alternating Current Stimulation）：通過載波頻率（Carrier Frequency）與調幅頻率（AM Frequency）的協同作用，實現對目標腦區特定低頻神經振蕩（如Delta、Theta、Alpha波）的節律性夾帶（Entrainment），并精準調控跨頻耦合（Cross-Frequency Coupling, CFC）機制（如Theta-Gamma相位-振幅耦合），以優化神經網絡的同步性與功能連接。

適應癥：焦慮、抑郁、失眠、癲癇、強迫癥、注意缺陷多動障礙、鞏固記憶、運動控制等。認知增強、工作記憶優化及精神分裂癥、抑郁癥等神經精神疾病的網絡同步性調節。

回映便攜式tES設備示意圖

基本參數

刺激強度：10mA~30mA 連續可調，調節分辨率0.01mA，輸出電流誤差<=±10%

刺激頻率:1Hz~99Hz 范圍內可調，頻率步進為 1Hz，輸出頻率誤差 <=±5%

載波頻率:2KHz~100KHz 范圍內可調，頻率步進為 1KHz，輸出頻率誤差 <=±1%

刺激時間：0~60min可調

淡入淡出時間：0~120s 可調，確保刺激的安全性

脫落檢測:通過實時阻抗檢測分析電極脫落狀態確保刺激有效性