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非侵入性脑刺激 (NIBS) 是一种复杂且多方面的脑活动调节方法，具有广泛应用的潜力。本文将分享一篇研究，它讨论了四种非侵入性脑活动调节方法的机制：电流、磁场、光和超声波。
实验研究了脑活动的双重随机性和确定性及其对 NIBS 的影响，强调了个体间变异性、模糊的剂量反应关系、潜在偏差和神经解剖异质性带来的挑战。
非侵入式脑刺激（NIBS） 与侵入性手段相比，它风险低、成本可控，且患者接受度高。其潜在应用包括治疗精神疾病（如抑郁症）、慢性疼痛管理、改善认知功能、以及探索大脑机制等。
非侵入性脑刺激的四种主要方法是经颅电刺激 (tES)、经颅磁刺激 (TMS)、经颅光生物调节 (tPBM) 和经颅超声刺激 (TUS)。图1 概述了它们各自的特点。
1）tDCS（直流刺激）：通过持续的微弱直流电刺激大脑皮层，改变神经元膜电位的静息状态。阳极（Anodal）刺激可提升兴奋性，而阴极（Cathodal）刺激则抑制神经元活动。
2）tACS（交流刺激）：通过正弦波交流电刺激，与大脑内在振荡频率相互作用，调节神经振荡的同步性和节律性。
3）tRNS（随机噪声刺激）：以随机频率的电流进行刺激，增加神经可塑性和突触活动，有助于改善学习记忆功能。
尽管 tES 无法直接诱发神经元去极化，但其通过调控神经递质浓度（如谷氨酸和GABA）以及膜电位，广泛应用于神经康复、心理健康和脑功能增强领域。
经颅磁刺激利用电磁感应在头皮下产生局部电流，从而调节神经活动。其核心机制是通过线圈产生强磁场作用于大脑特定区域，影响神经元活动：
1）单脉冲 TMS：用于研究大脑的功能定位和皮层兴奋性。
2）重复 TMS（rTMS）：通过高频或低频脉冲序列，分别增强或抑制局部神经活动，用于治疗抑郁症、焦虑症等。
3）深部 TMS（dTMS）：利用特殊线圈作用于更深层的脑区域，如杏仁核或海马体，扩展了其临床应用范围。
TMS 技术兼具诊断和治疗功能，已经在神经精神疾病、认知功能障碍和运动神经疾病中得到广泛应用。
经颅光生物调节采用特定波长的近红外光穿透头皮和颅骨，以非侵入的方式作用于脑组织。其主要作用机制包括：
1）激活线粒体功能，提高三磷酸腺苷（ATP）生成，增强神经元的代谢活动。
2）增强脑部血流和氧化代谢，改善局部缺氧状况。
3）通过减少氧化应激和炎症反应，发挥神经保护作用。
尽管 tPBM 在脑功能调节中的潜力巨大，但其穿透深度受到头发和头皮组织吸收的限制。目前研究多集中于其在改善认知功能、抑郁症治疗以及脑损伤康复方面的效果。
经颅超声刺激是一种利用低强度聚焦超声（LIFUS）精准调控脑部活动的新兴技术，其主要特点是高空间分辨率和深层结构调控能力。主要作用机制包括：
1）声学效应调节神经细胞膜的机械性和离子通道活动，从而改变神经元的兴奋性。
2）通过刺激深层脑结构，如丘脑、海马和纹状体，有效影响大脑回路活动。
TUS 技术目前在探索中，重点研究领域包括帕金森病、阿尔茨海默病和精神分裂症的治疗。其高精度和无创特性使其成为未来神经调节的重要方向。
个体间变异性： 如头骨厚度、皮质形态的差异可能导致刺激效果的显著变化。
模糊的剂量反应关系： 刺激参数与神经调节效应的关系复杂且不确定。
神经解剖异质性： 不同个体的解剖结构及脑活动状态使得标准化刺激设计困难。
研究设计局限：现有研究样本量偏低，难以广泛推广结论。
非侵入性脑刺激技术（NIBS）的复杂性与研究挑战，从个体差异到技术限制，再到统计问题，揭示了这一领域的潜力与局限性。结合这些内容，可以从以下几方面扩展讨论，提出新的研究方向与应用机遇：
多尺度建模可以结合大规模生物数据库（如Human Connectome Project），以及如何将个体化数据（如MRI、EEG）与统计模型相结合。个性化建模（如结合MRI或生成模型）和多模态技术（如光学、磁图）可以提高刺激的精准性。
例如，可以利用深度学习技术，构建更精准的个体化建模算法，预测电场分布和刺激效果。 这不仅适用于优化治疗参数，还可能用于疾病诊断的辅助决策，尤其是神经退行性疾病或精神疾病。
闭环NIBS被认为是未来研究的关键方向，但技术瓶颈在于如何实时捕获和分析多模态数据，并做出高效的参数调整。
例如，将EEG和fNIRS结合，用于实时监测神经活动和血氧水平，可优化tDCS或TMS的调控效果。 此外，还可以将实时功能性成像技术（如fMRI）引入闭环设计，以实现对深层脑区功能状态的实时监控与干预。通过高性能计算技术和边缘计算技术的结合，闭环系统有可能以可穿戴设备的形式进一步发展，实现家庭环境下的自我调节。
NIBS效果提升的另一种途径是刺激方式的组合。未来可能进一步探索将光生物调节（tPBM）与TMS结合，利用光刺激改善局部血流与代谢，增强磁刺激的作用效果。此外，超声刺激（TUS）与传统电刺激（如tES）结合，可能实现对深层脑区的精确干预，解决当前仅限于皮层区域刺激的局限性。
当前NIBS研究的统计功效受到样本量的限制，进一步发展的可能方向是将“N-of-1”试验与传统研究设计相结合。
例如，在研究长期效果时，可对个体进行多次刺激，并通过机器学习模型分析纵向数据，揭示刺激效果的时间动态。 此外，这样的研究设计还有助于更广泛地应用于个性化医疗，为临床实践提供依据。
最后，针对论文中提到的资源密集型挑战，可以进一步讨论如何通过创新技术降低NIBS的使用门槛。
例如，开发低成本的便携式设备 ，用于资源有限的地区，特别是针对如抑郁症、帕金森病等高发疾病。基于智能手机的结构成像和算法优化方案也可能显著降低个体化建模的成本。
标题 | DOI |
低频直接皮质刺激对皮质振荡的调节是状态依赖性的 | 10.1016/j.brs.2021.07.004 |
经颅交流电刺激 (tacs) 对人类皮质兴奋性的后遗症相对较弱 | 10.1016/j.brs.2007.10.001 |
颅内光生物调节治疗抑郁症：当前观点 | 10.2147/NDT.S188906 |
一项针对患者和普通公众的大规模在线调查：更喜欢安全、无创的神经调节来保持心理健康 | 10.1101/2024.01.10.24301043 |
使用 MRI 引导的经颅聚焦超声 (tfus) 对丘脑前部进行超声处理可改变健康成人的疼痛阈值：一项双盲、假对照研究 | 10.1016/j.brs.2020.10.007 |
非侵入性磁刺激人类运动皮层 | 10.1016/S0140-6736(85)92413-4 |
阿尔茨海默病中的超声经颅脉冲刺激是一种新的导航局部脑疗法 | 10.1002/advs.201902583 |
脑状态依赖性脑刺激 | 10.3389/fpsyg.2018.02108 |
静磁刺激诱导抑制性皮质神经元轴突起始段的结构可塑性 | 10.1038/s41598-024-51845-7 |
经颅磁刺激 (tms) 刺激哪些部位？一些常见皮质和小脑目标的感应场图建模 | 10.1007/s11517-012-0922-8 |
经颅直流电刺激的安全性：2016 年最新循证研究 | 10.1016/j.brs.2016.06.004 |
神经刺激对脑功能和认知的状态依赖性影响 | 10.1038/s41583-022-00598-1 |
光泵磁强计脑磁图 (OPM-MEG)：下一代功能性神经成像 | 10.1016/j.tins.2022.05.008 |
重度抑郁症的颅内光生物调节综述：针对大脑代谢、炎症、氧化应激和神经发生 | 10.1117/1.NPh.3.3.031404 |
神经导航可最大程度提高 tms 定位的准确性和精确度：来自 11,230 个距离、角度和电场建模测量的证据 | 10.1016/j.brs.2022.08.013 |
背外侧前额皮质高频 rtms 对慢性和诱发性疼痛的影响：系统评价和荟萃分析 | 10.1016/j.brs.2021.07.004 |
经颅磁刺激治疗效果的可能机制 | 10.3389/fnhum.2015.00303 |
经颅电刺激皮质反应中的关键因素：多尺度建模研究 | 10.1016/j.compbiomed.2022.105328 |
多目标重复经颅磁刺激 (rtms) 方案用于治疗共病抑郁症和慢性疼痛 | 10.1016/j.brs.2021.10.468 |
多尺度大脑建模的探索 | 10.1016/j.tins.2022.06.007 |
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不完全证据表明增加 tdcs 的电流强度可改善结果 | 10.1016/j.brs.2017.12.002 |
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关于低频和高频 rtms 在运动皮层中可靠性的证据有限 | 10.1016/j.brainres.2023.148534 |
实时脑电图定义的兴奋状态决定了 tms 诱导的人类运动皮层可塑性的有效性 | 10.1016/j.brs.2017.11.016 |
深部脑区的经颅磁刺激：h 线圈疗效的证据 | 10.1016/j.clinph.2004.11.008 |
（全文结束）
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