基于多尺度建模的经颅交流电刺激(tACS)在真实皮层解剖结构中对神经夹带效应的机制研究

来自多学科交叉领域的研究人员通过构建多尺度计算框架，结合解剖学精确的头模型与形态学真实的神经元模型，揭示了经颅交流电刺激(tACS)在皮层L5锥体细胞(L5 PCs)中产生神经夹带效应的细胞机制。研究发现电场(E-field)方向与强度通过相位锁定值(PLV)和偏好相位(PPh)调控神经元活动，证实细胞形态学和电场非均匀性对神经调控的关键作用，为tACS的临床应用提供了理论基础。

　　

这项研究通过创新的多尺度计算框架，将解剖学精确的头模型与具有真实形态的神经元模型相结合，深入探究了经颅交流电刺激(tACS)对大脑皮层第5层锥体细胞(L5 PCs)的调控机制。研究人员采用常规M1-SO tACS产生的电场(E-field)，通过量化相位锁定值(PLV)和偏好相位(PPh)来评估神经夹带效应。

令人惊讶的是，tACS在目标皮层表面(L5 SOI)诱导的电场分布呈现显著异质性。这种不均匀性导致L5 PCs展现出多样化的神经夹带响应，这主要源于神经元对电场方向和强度的敏感性差异。研究揭示了一个有趣的现象：PLV和PPh都表现出与电场极角平滑的余弦依赖关系，而对方位角几乎不敏感。更有意思的是，PLV与电场强度呈正线性相关，而PPh则根据电场方向呈现对数增长或衰减。

通过深入的相关性分析，研究人员发现神经夹带效应主要可由电场法向分量或体细胞极化来解释，特别是当电场方向指向皮层表面外侧时。研究还强调了细胞形态学在塑造tACS响应多样性中的关键作用。虽然从胞体提取的均匀电场模型在细胞水平上能较好地模拟tACS效应，但要探究更精确的细胞机制，必须考虑电场的非均匀分布。

这些发现不仅深化了我们对tACS细胞机制的理解，更搭建了宏观脑刺激与微观神经活动之间的桥梁。该研究为基于模型驱动的tACS临床应用提供了重要理论基础，特别是在利用微弱电场进行脑调控方面具有重要价值。研究结果突显了电场异质性分布、细胞形态特征和电场非均匀性在真实神经解剖结构中调控神经元放电活动的关键作用，为未来开发更精准的脑刺激方案指明了方向。