PWM-TI 的定義

PWM-TI 是一種非侵入性深部腦刺激技術(shù)，通過(guò)施加兩個(gè)不同頻率（kHz范圍）的雙相方波電場(chǎng)，在其重疊區(qū)域產(chǎn)生一個(gè)脈沖寬度（Pulse-Width）周期性變化、但包絡(luò)幅度恒定的合成電場(chǎng)。該脈沖寬度的變化頻率為兩原頻率之差（Δf），處于神經(jīng)活動(dòng)頻率范圍內(nèi)（如10 Hz），從而可調(diào)控神經(jīng)活動(dòng)。

圖1 PWM-TI 的基本原理與概念示意圖

圖1A–C直觀展示了PWM-TI的基本原理：

圖1Ai：傳統(tǒng)TI（正弦波疊加）產(chǎn)生幅度調(diào)制（AM）的包絡(luò)。

圖1Aii：PWM-TI（方波疊加）產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制（PWM），包絡(luò)幅度恒定。

圖1B–C：在腦內(nèi)某一區(qū)域，兩電場(chǎng)完全重疊時(shí)脈沖寬度調(diào)制幅度（λPWM）最大，否則較小。

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PWM-TI 相對(duì)于傳統(tǒng)tTIS的優(yōu)勢(shì)

優(yōu)勢(shì)：

能量效率更高：方波的RMS值比正弦波高約40%，因此在相同峰值電流下，PWM-TI能誘發(fā)更強(qiáng)的膜電位振蕩（圖2Dii）和鈣信號(hào)響應(yīng)（圖3C–E）。

圖2 離體腦片膜片鉗記錄證明PWM-TI可有效去極化神經(jīng)元

總結(jié)： 圖2通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?strong>離體電生理實(shí)驗(yàn)證明，PWM-TI不僅能有效在差頻上去極化神經(jīng)元膜電位，其效率（振蕩幅度和AP閾值）甚至優(yōu)于傳統(tǒng)的正弦波TI。證明了單個(gè)神經(jīng)元可以對(duì)PWM-TI產(chǎn)生反應(yīng)。

離體腦片膜片鉗是一種直接在腦組織薄片上對(duì)單個(gè)神經(jīng)元進(jìn)行 intracellular（細(xì)胞內(nèi)）電生理記錄的金標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，它能像超高精度的電壓表一樣，實(shí)時(shí)捕捉神經(jīng)元膜電位的微小變化，從而為PWM-TI的有效性提供最直接的證據(jù)：它記錄到神經(jīng)元并非簡(jiǎn)單地響應(yīng)高頻刺激，而是特異性地在目標(biāo)差頻（Δf）上產(chǎn)生節(jié)律性的膜電位去極化振蕩和動(dòng)作電位，證明了PWM-TI能高效且特異性地驅(qū)動(dòng)神經(jīng)活動(dòng)。

刺激閾值更低：在體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)中，PWM-TI誘發(fā)動(dòng)作電位和網(wǎng)絡(luò)振蕩的電流密度閾值均低于傳統(tǒng)TI（圖2Eii、圖3Ci）。

圖3 在體鈣成像證明PWM-TI可驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)水平的神經(jīng)活動(dòng)

總結(jié)：圖3證實(shí)了PWM-TI在活體大腦中的有效性，能夠以更低的能量需求高效地驅(qū)動(dòng)特定神經(jīng)環(huán)路的同步活動(dòng)，奠定了其未來(lái)應(yīng)用的潛力。證明了一大群神經(jīng)元（網(wǎng)絡(luò)）同時(shí)對(duì)PWM-TI產(chǎn)生反應(yīng)。這是一個(gè)面上的證據(jù)。網(wǎng)絡(luò)水平的同步活動(dòng)是大腦產(chǎn)生腦電節(jié)律、執(zhí)行認(rèn)知功能（如記憶、注意力）的基礎(chǔ)。鈣成像證明PWM-TI具有協(xié)調(diào)和驅(qū)動(dòng)大規(guī)模神經(jīng)環(huán)路的能力，這是其邁向治療應(yīng)用（如調(diào)節(jié)異常的腦節(jié)律）的關(guān)鍵一步。

在體鈣成像通過(guò)基因編碼的熒光蛋白（如GCaMP）實(shí)時(shí)報(bào)告大量神經(jīng)元的鈣離子濃度變化，從而間接顯示其電活動(dòng)。它能夠證明PWM-TI可驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)水平活動(dòng)，是因?yàn)槠溆^測(cè)到刺激后整個(gè)神經(jīng)元群體在目標(biāo)差頻（Δf）上產(chǎn)生了同步的、節(jié)律性的熒光信號(hào)振蕩，這直接反映了大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同激活，而非單個(gè)細(xì)胞的孤立反應(yīng)。

潛在的細(xì)胞類型特異性：由于依賴膜時(shí)間常數(shù)，PWM-TI可能通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖寬度實(shí)現(xiàn)對(duì)不同神經(jīng)元類型的選擇性刺激。

出現(xiàn)原因：

傳統(tǒng)TI使用正弦波，其包絡(luò)幅度調(diào)制（AM）是顯性的；而PWM-TI使用方波，其包絡(luò)幅度恒定，但脈沖寬度周期性變化。PWM-TI的出現(xiàn)是為了探索是否這種“隱形”的調(diào)制方式也能有效調(diào)控神經(jīng)活動(dòng)，并可能因其能量特性提供更高效的刺激策略。

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PWM-TI 的工作機(jī)理

PWM-TI 的核心機(jī)制是通過(guò)神經(jīng)膜的被動(dòng)低通濾波特性，將脈沖寬度調(diào)制（PWM）轉(zhuǎn)換為幅度調(diào)制（AM）的膜電位響應(yīng)。

圖4 計(jì)算模型揭示PWM-TI誘發(fā)幅度調(diào)制式膜去極化的機(jī)制

總結(jié)： 圖4揭示了PWM-TI的工作機(jī)制：盡管外部施加的電場(chǎng)是脈沖寬度調(diào)制（PWM），但神經(jīng)細(xì)胞膜的生物物理特性（如低通濾波）將其轉(zhuǎn)換為了細(xì)胞所能“感知”的幅度調(diào)制（AM）信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了與傳統(tǒng)TI相似的神經(jīng)調(diào)控效果。

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臨床研究：方法與結(jié)果

研究方法：

離體實(shí)驗(yàn)（圖2）：小鼠腦片膜片鉗記錄，施加PWM-TI和傳統(tǒng)TI，記錄膜電位響應(yīng)。

在體實(shí)驗(yàn)（圖3）：GCaMP6s小鼠寬場(chǎng)鈣成像，觀察皮層網(wǎng)絡(luò)對(duì)PWM-TI的響應(yīng)。

計(jì)算模型（圖4、5）：使用NEURON模擬L2/3錐體神經(jīng)元，分析膜電位響應(yīng)機(jī)制。

研究結(jié)果：

離體：PWM-TI誘發(fā)Δf膜電位振蕩幅度比TI高40%，AP閾值低20%（圖2）。

在體：PWM-TI誘發(fā)Δf和2Δf鈣信號(hào)振蕩的閾值均低于TI（圖3C），且響應(yīng)更強(qiáng)（圖3E）。

計(jì)算模型：PWM-TI通過(guò)被動(dòng)膜濾波轉(zhuǎn)換為AM式去極化，效率與傳統(tǒng)TI相當(dāng)（圖4、5）。

圖5 被動(dòng)膜的低通濾波特性是PWM轉(zhuǎn)換為AM的關(guān)鍵

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總結(jié)

PWM-TI 是一種新型非侵入性深部腦刺激技術(shù)，通過(guò)施加雙相方波電場(chǎng)，利用神經(jīng)膜的低通濾波特性將脈沖寬度調(diào)制轉(zhuǎn)換為有效的神經(jīng)去極化。其在能量效率、刺激閾值等方面優(yōu)于傳統(tǒng)TI，且機(jī)制清晰，具有潛在的細(xì)胞類型選擇性和臨床應(yīng)用前景。

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回映產(chǎn)品

產(chǎn)品1：便攜式TI時(shí)域干涉經(jīng)顱電刺激儀

便攜式TI時(shí)域干涉經(jīng)顱電刺激儀通過(guò)緊密接觸于頭皮的電極傳導(dǎo)兩路不同頻率的高頻脈沖電流(如：2000Hz和2010Hz),高頻電流流經(jīng)大腦表層和深部區(qū)域，并在腦深部干涉產(chǎn)生低頻包絡(luò)(如：10Hz),由于大腦神經(jīng)元對(duì)高頻(>1000Hz)電刺激不響應(yīng)，所以位于大腦表層的高頻電流并沒(méi)有對(duì)大腦產(chǎn)生刺激效應(yīng)位于腦深部的低頻包絡(luò)刺激大腦，實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)地刺激大腦深部而不影響大腦皮層，即無(wú)創(chuàng)腦深部電刺激。

回映便攜式時(shí)域干涉電刺激設(shè)備支持傳統(tǒng)的tTIS時(shí)域干涉電刺激模式（基于正弦波），PWM-TI時(shí)域干涉電刺激模式（基于50%占空比方波），burst-TI時(shí)域干涉電刺激模式,細(xì)分為tTI-iTBS，tTI-cTBS兩種模式（基于iTBS，cTBS).

適用范圍：

能夠應(yīng)用于對(duì)老年癡呆、癲癇、帕金森、抑郁癥等多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療和神經(jīng)科學(xué)研究的多個(gè)領(lǐng)域。

產(chǎn)品2：48通道8腦區(qū)同步高精度經(jīng)顱電刺激設(shè)備

回映電子科技院線級(jí)多腦區(qū)高精度經(jīng)顱電刺激設(shè)備(MXN-48)是一款可8腦區(qū)/8人同步干預(yù)的高精度經(jīng)顱電刺激實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。其已突破了Soterix對(duì)該技術(shù)的壟斷(Soterix產(chǎn)品Soterix MXN-33 高精度經(jīng)顱電刺激系統(tǒng)其之前是市面上唯一款可對(duì)不同腦區(qū)進(jìn)行同步精確干預(yù)的設(shè)備)回映高精度經(jīng)顱電刺激產(chǎn)品M×N-48其具有48個(gè)獨(dú)立輸出通道，每個(gè)通道的波形，強(qiáng)度等參數(shù)都可以獨(dú)立設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)8個(gè)不同腦區(qū)的同步干預(yù)，不同腦區(qū)的相位同步性<0.1°，大大增強(qiáng)了tES的神經(jīng)調(diào)控效果?；赜掣呔冉?jīng)顱電刺激設(shè)備提供了兩種不同的操作模式以供研究者選擇——基礎(chǔ)模式和自由模式?；A(chǔ)模式使用更加方便，設(shè)定簡(jiǎn)單；自由模式則允許導(dǎo)入自定義電流波形，功能更加強(qiáng)大。

適用范圍：康復(fù)醫(yī)學(xué)：運(yùn)動(dòng)功能障礙、語(yǔ)言障礙、認(rèn)知障礙、吞咽障礙、意識(shí)障礙、上肢肌張力障礙、卒中后抑郁、卒中后疼痛等精神病學(xué)：抑郁癥、焦慮癥、強(qiáng)迫癥、物質(zhì)成癮、創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙﹑精神分裂癥等兒童康復(fù)：腦癱、運(yùn)動(dòng)功能障礙、注意缺陷多動(dòng)障礙、孤獨(dú)癥、閱讀障礙、語(yǔ)言發(fā)育遲緩等神經(jīng)病學(xué)：睡眠障礙、耳鳴、慢性疼痛、帕金森病、纖維肌痛、慢性疼痛(脊髓損傷下肢)、阿爾茨海默病、單側(cè)忽略﹑偏頭痛、神經(jīng)性疼痛等腦科學(xué)研究：記憶、學(xué)習(xí)、言語(yǔ)等

產(chǎn)品3：手持式高精度經(jīng)顱電刺激HD-tES設(shè)備

回映便攜式高精度經(jīng)顱電刺激儀(HD-tES)創(chuàng)新地采用type-C轉(zhuǎn)生物電極的設(shè)計(jì)使得產(chǎn)品能夠非常便捷地被使用?；赜潮銛y式高精度經(jīng)顱電刺激儀(HD-tES)通過(guò)多電極配置(1個(gè)中心電極和4個(gè)返回電極)實(shí)現(xiàn)高精度電流聚焦,精準(zhǔn)刺激目標(biāo)腦區(qū)。其核心優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)縮小電極尺寸(直徑12mm的環(huán)形電極)和增加電極數(shù)量,顯著提升刺激的聚焦性和精準(zhǔn)性。
回映HD-tES支持多模式刺激,覆蓋多場(chǎng)景需求：HD-tDCS模式：調(diào)節(jié)皮層興奮性,適用于中風(fēng)康復(fù)、抑郁癥干預(yù)等。HD-tACS模式：精準(zhǔn)鎖定腦電頻段(如β-γ頻段改善強(qiáng)迫癥,4Hz增強(qiáng)工作記憶)適配認(rèn)知障礙治療等。HD-tRNS模式：HD-tRNS 對(duì)顯式和隱式計(jì)時(shí)任務(wù)的影響不同,用于研究大腦的計(jì)時(shí)機(jī)制和時(shí)間處理能力等。

回映便攜式HD-TES設(shè)備示意圖

回映自研type-C轉(zhuǎn)生物電極示意圖
適用范圍:神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療，意識(shí)障礙和認(rèn)知功能調(diào)節(jié)，康復(fù)治療，運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知功能恢復(fù)。產(chǎn)品4：便攜式經(jīng)顱強(qiáng)交流電刺激儀(Hi-tACS)
該設(shè)備采用非侵入性的10-30mA刺激電流直接刺激大腦區(qū)域，進(jìn)而刺激大腦深部的神經(jīng)核團(tuán)、改變神經(jīng)遞質(zhì)水平，影響腦電節(jié)律、改善腦區(qū)間的聯(lián)絡(luò)，從而增強(qiáng)腦功能，治愈疾病。