皮质褶皱几何形态调控经颅磁刺激电场强度与峰值位移的机制研究

本研究针对经颅磁刺激(TMS)中皮质褶皱形态对电场(E-field)分布的影响机制不明问题，通过构建多层曲面简化模型，定量分析了关键形态参数（如截面形状、脑回顶线曲率）与电场特性的关系。结果表明，深部褶皱增强峰值电场强度(Ep)，而顶线曲率调控电场方向依赖性及峰值位移。该研究为缺乏精确建模时TMS参数调整提供了实践指导，并为个性化线圈定位优化提供了形态学预测指标。

　　

在探索大脑奥秘的非侵入式工具中，经颅磁刺激(TMS)犹如一把"无影刀"，通过电磁感应原理调控神经元活动。然而这把刀的"锋利程度"却深受大脑皮质千沟万壑的影响——就像阳光穿过棱镜会产生色散，TMS诱导的电场(E-field)在复杂皮质褶皱间会发生难以预测的偏转和增强。尽管既往研究注意到脑回方向与线圈角度的"垂直法则"，但面对大脑各区域褶皱形态的显著差异，仅凭单一方向参数远不能解释电场分布的复杂变化。更棘手的是，在临床实践中精确模拟每位患者的电场分布需要耗费大量计算资源，这种"算力焦虑"使得研究者亟需建立更普适的形态学-电场关系模型。

哈尔滨工业大学的研究团队在《Scientific Reports》发表的这项研究，创新性地采用"化繁为简"策略。他们构建了包含皮肤、颅骨、脑脊液(CSF)、灰质(GM)和白质(WM)的五层曲面简化模型，通过参数化调控两个关键维度：截面形态（脑回冠部宽度B_crown、沟壁倾角θ_wall、沟深h_sulcus）和三维顶线曲率（GM包络球半径R_GMES、顶线曲率半径r_CL）。借助COMSOL Multiphysics?软件进行有限元计算，并结合纽约大学提供的ICBM-NY头模型进行验证，重点分析了背侧中央后回(dPoG)、中央前回手区(mPrG)和颞上回中部(mSTG)等典型区域。

关键方法
研究采用多尺度建模策略：① 简化模型通过参数化扫描分析形态-电场关系，固定组织厚度（如GM层3mm）和电导率（CSF为1.654 S/m）；② 基于Magstim 70 mm八字线圈建立9匝均匀模型，计算3kHz频率下的电磁场分布；③ 在真实头模型中选取特征区域，量化实际褶皱参数并与简化模型预测对比。

形态参数的电场调控规律
在截面形态分析中，当线圈与脑回方向垂直（90°）时，窄冠部（7mm）、平沟壁（θ_wall=0°）和深沟（18mm）的组合使峰值电场强度(E_p)达到球形模型的3.91倍。这种"紧致褶皱效应"使电场更易穿透至沟底——就像山谷会聚集风能，深沟能将电场"引流"至深部脑区。

顶线曲率则展现出"空间导航"功能：当r_CL从40mm降至10mm，电场峰值位置最大偏移达5.7mm，且偏移方向始终朝向顶线曲率中心。有趣的是，这种偏移在45°线圈角度时最显著，而在完全垂直（90°）时消失，暗示曲率效应存在角度选择的"相位锁定"特征。

真实头模型的验证与异常
在真实脑区验证中发现，尽管dPoG区（R_GMES=55mm, r_CL=15mm）与mSTG区（r_CL=80mm）的皮-脑距离相近，但前者E_p强度是后者的2.1倍，证实截面形态对场强的主导作用。但有两个意外发现：① dPoG区最小偏移出现在45°而非预测的90°；② 近乎平直的mSTG区仍出现显著偏移，后续分析发现这是局部褶皱密度突变导致的"热点吸引"效应。

临床与机制启示
该研究建立的形态-电场映射关系具有双重价值：对于神经退行性疾病患者出现的皮质萎缩，可通过测量B_crown等参数定量补偿所需的刺激强度；对于治疗定位，高曲率区域（如DLPFC）允许更宽松的线圈角度容差，而低曲率运动区则需严格垂直定位。在机制层面，深褶皱伴随的白质纤维弯曲可能通过增加电场梯度降低神经元激活阈值，这为解释不同脑区刺激敏感性差异提供了新视角。

研究也存在若干局限：未考虑皮质柱方向与电场的矢量关系，且采用均质电导率可能低估实际组织异质性影响。正如作者所言，这项工作不是要替代精确的个体化建模，而是为"算力紧缺"场景提供快速决策依据——就像地质学家通过岩层走向预测矿脉，临床医生未来或可通过MRI测量的简单形态参数，快速预估TMS电场分布的基本特征。这种"以简驭繁"的研究范式，为脑刺激技术的精准化开辟了一条充满潜力的新路径。