PWM-TI 的定義

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

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，兩電場完全重疊時脈沖寬度調(diào)制幅度（λPWM）最大，否則較小。

HUIYING

PWM-TI 相對于傳統(tǒng)tTIS的優(yōu)勢

優(yōu)勢：

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)更強的膜電位振蕩（圖2Dii）和鈣信號響應(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通過嚴謹?shù)?strong>離體電生理實驗證明，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。證明了單個神經(jīng)元可以對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單個神經(jīng)元進行 intracellular（細胞內(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，實時捕捉神經(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作電位，證明了PWM-TI能高效且特異性地驅(qū)動神經(jīng)活動。

刺激閾值更低：在體內(nèi)外實驗中，PWM-TI誘發(fā)動作電位和網(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)動網(wǎng)絡(luò)水平的神經(jīng)活動

總結(jié)：圖3證實了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)動特定神經(jīng)環(huán)路的同步活動，奠定了其未來應(yīng)用的潛力。證明了一大群神經(jīng)元（網(wǎng)絡(luò)）同時對PWM-TI產(chǎn)生反應(yīng)。這是一個面上的證據(jù)。網(wǎng)絡(luò)水平的同步活動是大腦產(chǎn)生腦電節(jié)律、執(zhí)行認知功能（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。

在體鈣成像通過基因編碼的熒光蛋白（如GCaMP）實時報告大量神經(jīng)元的鈣離子濃度變化，從而間接顯示其電活動。它能夠證明PWM-TI可驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)水平活動，是因為其觀測到刺激后整個神經(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，而非單個細胞的孤立反應(yīng)。

潛在的細胞類型特異性：由于依賴膜時間常數(shù)，PWM-TI可能通過調(diào)節(jié)脈沖寬度實現(xiàn)對不同神經(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，并可能因其能量特性提供更高效的刺激策略。

HUIYING

PWM-TI 的工作機理

PWM-TI 的核心機制是通過神經(jīng)膜的被動低通濾波特性，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 計算模型揭示PWM-TI誘發(fā)幅度調(diào)制式膜去極化的機制

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

HUIYING

臨床研究：方法與結(jié)果

研究方法：

離體實驗（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)。

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

計算模型（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鈣信號振蕩的閾值均低于TI（圖3C），且響應(yīng)更強（圖3E）。

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

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

HUIYING

總結(jié)

PWM-TI 是一種新型非侵入性深部腦刺激技術(shù)，通過施加雙相方波電場，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，且機制清晰，具有潛在的細胞類型選擇性和臨床應(yīng)用前景。

HUIYING

回映產(chǎn)品

產(chǎn)品1：便攜式TI時域干涉經(jīng)顱電刺激儀

便攜式TI時域干涉經(jīng)顱電刺激儀通過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有對大腦產(chǎn)生刺激效應(yīng)位于腦深部的低頻包絡(luò)刺激大腦，實現(xiàn)無創(chuàng)地刺激大腦深部而不影響大腦皮層，即無創(chuàng)腦深部電刺激。

回映便攜式時域干涉電刺激設(shè)備支持傳統(tǒng)的tTIS時域干涉電刺激模式（基于正弦波），PWM-TI時域干涉電刺激模式（基于50%占空比方波），burst-TI時域干涉電刺激模式,細分為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)顱電刺激實驗平臺。其已突破了Soterix對該技術(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不同腦區(qū)進行同步精確干預(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個獨立輸出通道，每個通道的波形，強度等參數(shù)都可以獨立設(shè)置，可以實現(xiàn)對8個不同腦區(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)定簡單；自由模式則允許導(dǎo)入自定義電流波形，功能更加強大。

適用范圍：康復(fù)醫(yī)學(xué)：運動功能障礙、語言障礙、認知障礙、吞咽障礙、意識障礙、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、運動功能障礙、注意缺陷多動障礙、孤獨癥、閱讀障礙、語言發(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)通過多電極配置(1個中心電極和4個返回電極)實現(xiàn)高精度電流聚焦,精準(zhǔn)刺激目標(biāo)腦區(qū)。其核心優(yōu)勢在于通過縮小電極尺寸(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頻段改善強迫癥,4Hz增強工作記憶)適配認知障礙治療等。HD-tRNS模式：HD-tRNS 對顯式和隱式計時任務(wù)的影響不同,用于研究大腦的計時機制和時間處理能力等。

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，意識障礙和認知功能調(diào)節(jié)，康復(fù)治療，運動和認知功能恢復(fù)。產(chǎn)品4：便攜式經(jīng)顱強交流電刺激儀(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，進而刺激大腦深部的神經(jīng)核團、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)，從而增強腦功能，治愈疾病。