【前沿综述】经颅交流电刺激(tACS)：神经认知、生理和生物物理效应

经颅交流电刺激(tACS)是一种非侵入性技术，通过在头皮上施加微弱的交流电来调节大脑活动。该刺激在大脑中产生振荡电场，能够影响神经元的尖峰时间，进而改变局部神经振荡功率和跨频率、跨区域的相干性。因此tACS在神经认知研究和脑部疾病治疗方面具有巨大潜力。

tACS对神经振荡的控制

神经振荡是神经元群体之间兴奋性和抑制性电路的同步和周期性波动的表现。这些节律性的大脑活动驱动了多个生理和行为过程，包括感觉、运动和认知功能。异常的振荡模式与精神疾病和神经系统疾病有关，因此，开发工具来外部控制神经振荡以进行研究和治疗变得越来越重要。

tACS的生物物理和生理机制

在tACS过程中，微弱的振荡电流被施加到头皮上，通常在人类中为1-4 mA。这些电流部分通过大脑周围的组织（如皮肤和脑脊液）分流，因为头骨的导电性有限。在大脑中创建的电场是交流电刺激的作用力，其范围在0.1-1 mV/mM之间。这些外部生成的振荡电场比在稳定状态神经元中产生动作电位所需的电场弱，但与测量到的1-4 mV/mM的固有局部场电位（LFP）相当。因此，tACS不会产生动作电位，而是导致神经元膜电位的节律性波动，并可以影响冲动的时机。

图1 经颅交流电刺激(tACS)的生物物理学

tACS在动物、人类中的证据

在麻醉的啮齿动物和啮齿动物切片中的研究已经表明，在自然大脑节律下，振荡电场（约为0.7-1 mV/mM）会导致神经膜电位的波动，并显著影响神经活动。在非人类灵长类动物中的研究已经表明，在0.3-0.4 mV/mM的电场下，神经冲动与tACS诱导的振荡同步。在人类中的研究主要依赖于手术治疗癫痫的患者的侵入性脑部记录。这些研究已经提供了关于tACS剂量的重要见解。

tACS对认知的影响

tACS通过多种机制影响认知功能。它可以通过调节神经冲动的时机、影响突触可塑性、改变网络连接以及影响代谢网络来影响认知表现。tACS对认知的影响主要通过以下四种机制实现：

1. 调节稳态认知系统。tACS可以通过增强特定的神经振荡来改善认知功能，还可以调节不同振荡之间的平衡。例如，通过在视觉皮层施加α波tACS，可以增加α波的功率，从而改善视觉任务的表现。tACS还可以调节不同振荡之间的平衡。

2. 调节嵌套振荡。tACS可以调节嵌套振荡，即低频振荡的相位调制高频振荡的振幅。这种嵌套振荡对于优化跨区域通信至关重要。例如，前额叶-顶叶的同步性由θ活动表示，而局部过程与γ活动相关。

3. 调节长程同步。信息传递通过振荡的同步性在两个远距离的脑区之间进行。因此，振荡的相位是使用tACS增强长程连接时的一个重要变量。多电极刺激可以操纵不同皮层目标的振荡相位。

4. 调节代谢网络。有初步证据表明，经颅电刺激可以直接或间接地影响代谢脑网络和神经血管耦合，从而影响认知过程。这些数据与研究观察结果一致，即tACS可以改善长程脑连接。然而，目前对代谢发现的系统性理解仍然缺乏，需要进一步的研究。

图2 tACS 对认知表现的影响

未来方向

tACS作为一项前沿的神经调控技术，在认知研究和临床应用中具有巨大潜力。然而，目前仍存在一些挑战和未解问题。例如个性化刺激方案的优化、多模态神经调控的发展、新型刺激模式的探索、长期效果和安全性的研究，以及新的应用领域的开拓。这些方向将推动tACS在神经科学和临床治疗中的发展与应用。

总结

tACS是一种有前途的工具，可以用于认知和临床研究。它可以通过结合空间和频率特异性来选择性地调节正在进行的神经同步，并诱导局部大脑区域或网络的神经可塑性。尽管tACS的能力和剂量反应关系仍然在积极研究中，但已经进行了多项认知研究，以探索大脑振荡与行为之间的关系，验证神经影像学发现，并将基本的神经认知理论转化为独特的心理健康治疗工具。