结合fMRI的闭环经颅电刺激：一项实时fMRI引导下的tACS优化概念验证随机试验

《Translational Psychiatry》：Closed-loop transcranial electrical brain stimulation with fMRI: A proof-of-concept randomized trial of real-time fMRI-guided tACS optimization

　　

摘要

闭环经颅交流电刺激结合实时功能性磁共振成像技术，能够根据持续的神经活动动态实现无创脑刺激的适应性优化。我们采用了最早的随机双组闭环tACS–fMRI方案之一，通过迭代调整右背外侧前额叶皮层（F4）与右下顶叶皮层（P4）之间的刺激频率和相位匹配，从而在2-back工作记忆任务中调节额顶叶功能连接。20名健康成年人被随机分为上调组（n?=?10），该组接受经过优化以维持或增强功能连接的参数；以及下调组（n?=?10），该组接受经过优化以降低功能连接的参数，优化过程采用基于单纯形的自适应算法，共进行两次训练。在后续的测试阶段，应用了针对个体优化的参数，并在刺激前后采集了静息态功能性磁共振图像。在测试过程中，不同组的连接轨迹出现差异：上调组的功能连接得以保持，而下调组的功能连接则出现下降（符号秩检验p?=?0.019），通过置换检验也证实了两组之间存在显著差异（20,000次迭代；p?=?0.043）。行为方面的差异主要体现在任务准确率的提升上。尽管两组的整体平均表现相当，但上调组的准确率提升趋势更为明显，测试期间的准确率提升幅度更大（p?=?0.036），且每次试验的改进速度也更快（p?=?0.035）。两组的反应时间在多次测试中均有所下降，这符合练习效应的规律，且两组在反应时间提升幅度上无显著差异；不过，在测试阶段的反应时间下降趋势方面，上调组的下降幅度似乎比下调组更明显（p?=?0.065）。静息态分析显示，基于种子的功能连接存在显著的组间时间交互作用簇（体素级p?＜?0.001；簇级FDR p?＜?0.05），上调组的功能连接相比下调组有所增强，这说明刺激后网络调控效果具有持续性。这些研究结果证明了闭环tACS–fMRI技术在实现个性化网络靶向神经调控方面的可行性，同时表明实时连接优化能够有选择地稳定与任务相关的功能连接，提升任务准确率，并对大脑内在网络产生持续影响。