时域干扰刺激(TI)会破坏灵长类动物大脑中神经元活动的峰值时间

时域干扰（Temporal Interference，TI）刺激是一种新兴的非侵入性电刺激技术，通过在头皮表面放置电极，生成多个高频电场，这些电场在大脑中相互干扰，仅在它们的交叉区域产生有效的低频调制，从而调节神经活动。TI刺激在理论上具有广泛的应用前景，但关于其实际效应的实验证据还相对有限。本研究旨在通过在非人类灵长类动物（猕猴）中进行实验，详细探讨TI刺激对单神经元峰值活动的影响，以评估TI刺激的有效性和应用潜力。

研究方法

实验对象为两只成年猕猴（Macaca mulatta），它们被训练执行视觉固定任务，以确保在记录过程中能够保持稳定的眼动和注意力，避免外部因素对神经活动的干扰。这些猕猴被放置在一个特制的实验台上，通过固定头的装置保持头部稳定。在每次实验中，猴子被要求注视屏幕中央的一个固定点，以确保其注意力集中且眼动稳定。

图1 |实验概述：A为刺激条件示意图。在常规tACS(黄色)中，刺激波形由目标频率的正弦波组成，通过单对电极进行传递。TI-tACS通过两对电极来管理高频电流，每对电极以略微不同的频率振荡(黑色:2000 Hz;绿色:2005 Hz)。它们的重叠产生了低频AM(红色:5赫兹)，在磁场内相互干扰。这个分量(虚线)必须通过解调机制来提取。B动物进行简单的注视任务，tACS和TI-tACS采用随机区组设计，以基线时间间隔分开。记录位点附近的调制深度预计不大于0.7 V/m/mA, 7A的平均调幅场强为0.62 V/m, MT为0.5 V/m。V4v位点在帧外。AC:交流电;AM:调幅

研究者们在猕猴头皮表面放置了多个电极，采用双频高频电流技术，从而实现TI刺激。具体来说：两组电极分别位于猕猴头部的不同位置，以确保高频电场在大脑内的交叉区域产生有效的低频调制；一组电极的载波频率固定为2000Hz，另一组电极的载波频率分别设为2005Hz、2010Hz和2020Hz，以产生5Hz、10Hz和20Hz的幅度调制频率。这些设置旨在测试不同频率的TI刺激对神经元峰值活动的影响，探讨在不同条件下，神经元活动如何响应不同的频率调制。

此外，为了精确测量神经元的活动，他们使用了先进的单神经元记录技术：在猕猴的大脑特定区域（例如初级视觉皮层V1）插入微电极，通过这些电极记录神经元的峰值活动。记录设备和技术的使用确保了高精度和高时间分辨率，能够捕捉到神经元在TI刺激下的细微变化。他们共记录了234个靠近TI刺激焦点的神经元活动，充分保证了数据的全面性和可靠性。

而且，他们还进行了详细的数据分析进行评估TI刺激对神经元峰值时间和频率的影响：使用相位锁定值（PLV）评估神经元峰值时间的变化，然后通过统计分析，评估不同TI刺激条件下神经元活动的一致性和去同步化现象，特别关注峰值时间的变化，最后分析不同刺激条件下神经元的放电频率，探讨TI刺激对峰值频率的影响。

研究结果分析

本文研究了经颅干扰交变电流刺激（TI-tACS）和传统经颅交变电流刺激（tACS）对恒河猴(Macaca mulatta)神经元活动的影响。研究通过一系列实验，训练恒河猴执行简单的视觉固定任务，控制外部感官和认知因素，以分析刺激对神经元脉冲时间和速率的影响。

图2 |A为一个由TI-tACS夹带的神经元的例子。左列包含5个1 s段数据的栅格图，显示AM波形(黑色)和TI-tACS期间(红色)和基线(蓝色)发出的峰值的时间。垂直灰线表示TI-tACS期间的首选相。每一种情况下的峰值波形(平均值±标准差)表明保持了单细胞隔离。中心柱包含峰密度直方图，显示TI-tACS(红色)或基线LFP(蓝色)每个阶段峰的相对概率。这些数据通过以下PLV值进行总结，并通过双侧随机化检验进行比较。右列使用混合效应模型比较不同条件下的放电率(平均值±标准差)。两组放电率无显著差异。B为通过TI-tACS去同步化的神经元，与图A的样式相同。

实验任务包括视觉固定任务，用以控制可能影响神经活动的外部因素。实验中记录了234个神经元的活动，这些神经元位于TI-tACS刺激的预测焦点附近。对于TI-tACS实验，固定载波频率为2000 Hz，变化频率为2005、2010及2020 Hz，产生5、10和20 Hz的AM频率。电流和场强与人类研究相似，实验中调制深度不大于0.7 V/m，刺激电流不大于±2.5 mA。

TI-tACS可以改变神经元相对于振荡的峰值时间，但对峰值活动总体速率影响较小。实验中，图2A显示神经元在20 Hz包络的上升阶段有更有节律性的反应，PLV从基线时的0.02显著增加到0.17。而图2B中的神经元在施加5 Hz TI-tACS后节律性降低，PLV从基线时的0.14显著降低到接近0。

使用来自多个皮质区域（V4 7A和MT）和多个AM频率（5、10和20 Hz）的刺激，实验表明234个神经元中有28%（65/234）的神经元发生了显著的PLV变化。16个神经元显示出显著的夹带增加，而夹带减少在75%（49/65）的神经元中更为常见。

tACS对神经元的影响与TI-tACS相似，但总体效果更强。在基线活动水平较低的情况下，传统的tACS增加了更多神经元的夹带（46%）比TI-tACS（17%）。在基线活动的中等水平下，有时会观察到相互矛盾的影响

图3 | A 为TI-tACS期间的种群结果(N = 234个神经元)。每条线表示单个神经元的峰值时间怎样因TI-tACS而改变(ΔPLV = TI-tACS - Baseline)。红线表示个别显著变化(通过双尾随机试验，每个细胞p < 0.05);灰线在每个细胞的基础上没有显著改变。通过基线PLV(蓝线)对神经元进行分类。其他实验条件用彩色条表示;参考文中描述的ANCOVA结果进行分析。B为四个示例细胞的峰值密度直方图，以与图2相同的样式绘制，并显示一系列影响。通过对每个细胞的双尾随机化试验评估显著性。星号表示图2A中的示例神经元;菱形表示图2B中的单元格。单个值在源数据文件中可用。

三种机制可能解释TI-tACS较传统tACS弱的原因：

1、电流分流：TI-tACS刺激的大部分电流被皮肤、肌肉和骨骼分流。这种效应在高频载波下尤为明显，导致进入大脑的电流减少。

2、神经元对AM成分的提取能力：神经元对TI-tACS的AM信号提取不完全。在额外实验中，使用传统tACS和单个调幅正弦波（AM-tACS）进行比较，结果显示神经元对AM信号的解调能力较差。

3、干扰电场的AM深度：由于物理限制，两个干扰电场产生的AM深度受到较弱电场的大小限制。这些问题在动物模型中尤为严重，可能在人类目标上也会发生。

为了进一步探讨TI-tACS和传统tACS的效果差异，研究进行了额外实验，比较传统tACS和单个调幅正弦波（AM-tACS）。实验发现常规tACS将中位PLV提高到0.20，而AM-tACS仅将其增加到0.10，表明神经元对AM信号的解调能力较差。

图5 |在10 ~ 2000 Hz频率下测量刺激诱发电位的幅值。在大脑中，这显示出随着频率的增加而明显的衰减(黑色)。这种影响不是由于我们的记录系统的性质，因为应用相同的刺激到头部阶段显示最小的衰减(灰色)。这条曲线也用于校准图6中的AM-tACS实验，使其2000 Hz载波产生的调制深度与常规低频tACS相同。

图6 |A为AM-tACS实验示意图，如图1A所示。与TI-tACS不同，传统tACS(黄色)和AM-tACS(绿色)都是通过相同的两个电极传递的。调幅载波使用与TI-tACS相同的频率:2000 Hz与调幅频率(红色)匹配tACS。B部分表示在±2.5 mA AM-tACS(绿色)和±1.0 mA tACS(黄色)期间，N = 10个反应神经元的中位数ΔPLVs及其95%可信区间，通过符号秩检验进行比较。散点图绘制每种条件下每个神经元的原始数据(即刺激期间和基线时的PLV)。源数据文件中有单独的值。

研究表明，TI-tACS和传统tACS对恒河猴神经元的影响相似，但TI-tACS总体效果较弱。TI-tACS对脉冲时间有显著影响，但对放电速率的影响较小。TI-tACS较弱的效果可能与电流分流、神经元对AM信号的提取能力以及干扰电场的AM深度限制有关。这些发现为未来的神经调控技术研究提供了重要的参考。

结论与展望

本研究通过在非人类灵长类动物中的实验，验证了TI刺激对神经元峰值时间的调控效果。结果表明，TI刺激能够显著改变神经元的峰值时间，特别是在基线相位锁定值较低的情况下。然而，与传统的tACS相比，TI刺激的效力较弱，其主要原因是高频分流效应和幅度调制解调的效率较低。尽管TI刺激效力较弱，但其非侵入性的特点使其在临床应用中具有广泛的前景，特别是在治疗癫痫、帕金森病等神经系统疾病中。TI刺激可以在不显著改变正常神经活动的情况下，有效干扰病理性活动，从而提供一种新的治疗手段。未来的研究应继续优化TI刺激的方法，探索更有效的电极配置和刺激参数，降低高频刺激的分流效应，增强幅度调制的解调效果。此外，还需开展更多的临床研究，验证TI刺激在不同神经疾病治疗中的效果。

而且，就技术改进方面，可以探索更先进的电极材料和设计，以提高电极与皮肤接触的稳定性和传导性。同时，发展新的信号处理算法，以提高刺激信号在大脑中的解调效果，增强对神经活动的调控能力。TI刺激技术的发展需要多学科的合作，包括神经科学、工程学、医学等领域的紧密合作。通过结合不同领域的优势，推动TI刺激技术的创新与应用，最终实现其在临床中的广泛应用。

总之，本研究为TI刺激技术的应用提供了重要的实验数据和理论支持，展示了其在神经调控和临床治疗中的潜力。通过进一步的研究和技术优化，TI刺激有望成为一种有效的非侵入性神经调控工具，为神经科学研究和临床治疗带来新的突破。

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