外周神经时域干扰刺激与直接千赫兹刺激共享相同的生物物理机制： rectification效应而非包络解调主导 suprathreshold神经激活

本研究针对时域干扰刺激（TIS）机制争议，通过比较调制与非调制千赫兹波形在蝗虫及人类外周神经中的兴奋阈值与强度-频率关系，发现所有波形均遵循相同的千赫兹整流激活规律，且刺激阈值主要由载波频率而非幅度调制（AM）决定。结果支持TIS通过千赫兹信号整流（rectification）而非包络特异性效应实现神经激活，对优化非侵入性神经调控策略具有重要意义。

论文解读

神经调控技术长期以来面临侵入性与特异性难以兼得的挑战。植入式电极虽能精准靶向目标区域，却需承担手术风险与组织损伤；而非侵入式经皮电刺激虽操作简便，又受限于电场衰减严重、穿透深度不足，且易激活浅表感觉神经导致不适。2017年，Grossman等人提出的时域干扰刺激（Temporal Interference Stimulation, TIS）被认为是一种突破性方案——通过两路高频千赫兹载波（如f₁与f₂）在组织内干涉产生低频包络信号（Δf = |f₁-f₂|），理论上可实现对深部神经结构的选择性激活，同时避免浅表组织兴奋。然而，TIS的作用机制始终存在争议：传统观点认为其有效性源于神经元对低频包络的“解调”响应，而千赫兹载波本身因对称波形及膜电容滤波效应无法直接兴奋神经元；另一派理论则由Mirzakhaili等人提出，认为千赫兹载波通过膜离子通道的整流效应（rectification）导致净去极化，才是激活的真正原因，且包络调制仅调节兴奋频率而非驱动机制。

为澄清这一核心争议，来自捷克布尔诺理工大学、萨格勒布大学等机构的研究团队在《Nature Communications》发表了题为“The same biophysical mechanism is involved in both temporal interference and direct kHz stimulation of peripheral nerves”的研究。他们通过系统比较TIS与多种千赫兹波形（包括预调制AM正弦、突发正弦及非调制正弦）在蝗虫外周神经和人类感觉运动通路中的兴奋阈值与强度-频率（s-f）关系，发现所有波形均呈现高度一致的激活特性，且阈值主要依赖载波频率而非调制参数。这一结果强烈支持千赫兹整流机制的统一性，挑战了TIS依赖包络解调的传统假设。

研究主要依托以下技术方法：

1. 1.
   电刺激平台与波形生成：使用Digitimer DS4/DS5电流刺激器及Keysight函数发生器，产生频率500 Hz–100 kHz的调制与非调制千赫兹波形，通过校准分流电阻实时监测输出电流；
2. 2.
   多模型验证：在蝗虫（Locusta migratoria）N5运动神经模型中，以腿部落射运动为生物标志物；在人类志愿者中，分别刺激前臂正中神经运动支（诱发环指屈曲）和腕管感觉支（诱发指尖针刺感），量化运动与感觉阈值；
3. 3.
   阈值测定协议：采用随机化频率呈现与阶梯式电流递增法，确保阈值测量的可靠性；
4. 4.
   计算建模：结合NEURON轴突模型与有限元法（FEM）模拟电场分布及激活函数，分析 tonic（强直）与 phasic（时相）刺激的空间分布特性；
5. 5.
   统计分析与曲线拟合：通过线性混合效应模型比较波形间阈值差异，并使用Reilly方程拟合s-f关系曲线。

研究结果

1. TIS与直接千赫兹刺激具有相同的强度-频率依赖性

在蝗虫N5神经模型中，比较4电极TIS、2电极AM正弦、正弦突发及非调制正弦波形的s-f曲线（载波频率0.5–12.5 kHz），发现所有波形均呈现重叠的U型阈值-频率关系，且非调制正弦的阈值最低（AM/正弦阈值比=1.29±0.04）。在人类正中神经运动与感觉刺激中，s-f曲线同样高度一致（AM/正弦阈值比≈1），且Reilly方程（I_TH(f)=I₀(1-e^−500/f)^−0.9(1-e^−f/10)^−0.8）能完美拟合所有数据（R²>0.99）。这表明TIS的激活机制本质上是千赫兹载波本身的生物物理效应，而非包络解调。

2. 高频载波（至100 kHz）仍有效激活神经，且调制与否无显著差异

将载波频率扩展至100 kHz（蝗虫模型），发现AM正弦与非调制正弦的s-f曲线仍遵循Reilly关系，且阈值无统计学差异（p=0.5099）。高于100 kHz时，热效应主导响应，神经兴奋可靠性下降。这进一步证实千赫兹整流机制的普适性，且无低频包络解调机制参与。

3. 调制频率（AMF）对suprathreshold阈值影响有限，但存在微弱共振效应

在蝗虫模型中，当固定载波频率为2.5 kHz并改变AMF（0–1 Hz）时，兴奋电流阈值恒定，但腿部落射幅度随AMF降低而增加（因suprathreshold持续时间延长）。在人类模型中，AMF在0.03–50 Hz范围内呈现浅U型阈值曲线，运动神经在AMF=5 Hz时阈值最低（较极端AMF低20%），感觉神经在AMF=1 Hz时最优。这种共振效应与神经元膜特性相关，但调制本身并非激活主导因素。

4. TIS产生双模（bimodal）刺激，而2电极千赫兹刺激为单模（monomodal）

FEM模拟显示，4电极TIS在组织中同时产生强直（tonic）区域（近电极处，高幅非调制载波）和时相（phasic）区域（干涉热点，高调制深度）。实验验证：调整电极位置可使同一电流从phasic收缩转为tonic强直收缩。相比之下，2电极预调制AM正弦仅产生均匀phasic刺激，且总注入电流更低（无需×2载波电流）。这表明TIS在空间控制上具有灵活性，但可能伴随非靶向tonic刺激风险。

结论与意义

本研究通过多模型实验与计算模拟，证实TIS与直接千赫兹刺激共享相同的生物物理机制——千赫兹载波通过钠钾离子通道的快速不对称传导产生整流效应，导致净去极化与神经兴奋。幅度调制（AM）仅通过调节suprathreshold持续时间影响兴奋频率，而非独立驱动激活。这一发现挑战了TIS领域“载波无效、包络有效”的传统范式，强调需重新评估千赫兹载波的生物效应及非靶向tonic刺激风险。

实践上，研究建议：

• •
  在追求深度刺激时，需谨慎评估TIS双模刺激带来的tonic激活（可能引起传导阻断或不适）；
• •
  2电极预调制千赫兹刺激可作为单模替代方案，避免tonic效应且电流效率更高；
• •
  未来研究需关注subthreshold范围内包络调制可能的网络级效应（如听觉稳态响应），但suprathreshold激活主要由整流机制主导。

该研究为TIS的机制争议提供了决定性实验证据，推动了非侵入性神经调控技术的理性优化与安全应用。