A Computational Modeling Study of Individualized Transcranial Electrical Stimulation

Abstract

经颅电刺激技术（transcranial electrical stimulation，tES）是一种非侵入性神经调控手段，因其安全性、实用性和便携性等优势，有望在科学研究和临床治疗中得到广泛应用。tES 对个体的脑活动和行为表现均具有调控作用，但是其调控效果存在较强变异性。原因之一是不同个体的头部解剖结构不同，通过这些结构进入靶向脑区的实际物理电刺激存在个体差异。 基于电场模拟和三维重建的方法，本文共开展了三项研究，考察了不同人口学群体中，高精度 tES 产生的颅内电场的变化规律，初步探索了颅内电场分布和刺激同步功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）记录到的神经响应分布之间的关联，并在此基础上提出了促进个体化 tES 研究落地的解决方案。 研究一收集了 1616 例白种人和黄种人全生命周期（12~100 岁）的磁共振结构像数据，基于磁共振成像引导的数值模拟方法，探索了两种常用 tES 刺激排布下靶向脑区接受到的物理刺激强度和刺激聚焦性在不同人口学群体间的差异。结果显示，靶向脑区电场强度随年龄增长而降低，且 25 岁前场强随年龄急剧下降。在黄种人中发现靶向脑区的电场强度存在年龄和性别间的交互效应，但未见于白种人。tES 刺激聚焦性则随年龄增长而减弱，仅在黄种人中观察到老年群体的 tES 聚焦性与中年群体相比小幅增强。通过分析头部解剖结构因素，研究发现影响靶向脑区场强最主要的因素依次为中心电极下的颅骨厚度、头皮厚 度和脑脊液厚度，而影响刺激聚焦性的主要因素在不同种族、不同刺激排布间不一致。 研究二关注了 tES 电场分布模拟值与刺激诱导的真实脑响应间的联系，借助 tES 同步脑成像技术，研究记录了在高精度经颅直流电刺激过程中被试的 fMRI 数据，发现电场分布的模拟值和靶向脑区的功能活动分布之间存在空间一致性，即相较于假刺激组，经颅直流电刺激诱发的大脑活动变化最强的位置与电场模拟得到的场强最高点更为接近，提示模拟得到的最大场强位置一定程度上可以反映脑活动变化最强烈的位置。 研究三编写了基于磁共振成像数据的 tES 电场计算工具 tESview，在数据积累的基础上，以性别、年龄和种族等人口学变量划分人群，有针对性地建立了不同人口学群体的头部模型。特别是，tESview 区分了青少年和成年不同年龄段群体的头模，并提供了适用于中国人的 tES 调控模板，帮助中国用户快速计算不同群体、不同刺激排布下 tES 电场分布，为 tES 刺激量的个性化选择提供参考。这有望促进个体化 tES 的实施，提高以中国人为被试的神经调控研究的敏感性和神经调控在中国患者中的疗效。 综上，本研究揭示了高精度 tES 产生的颅内电场在不同人口学群体中的全生命周期曲线以及解释颅内电场变异性的关键头部解剖因素。研究还首次建立了电场模拟值与真实脑功能活动之间的关联，强调了 tES 电场模拟的重要性，并开发了基于中国人头部解剖特性的模型和开源电场计算软件，为个体化 tES 领域提供了有利资源