[发明专利]基于交叉频率耦合的个体化认知功能调节装置

说明书

本发明公开了一种基于交叉频率耦合的个体化认知功能调节装置，所述装置包括：峰值频率自动化提取模块，利用谱分析与自动化频率提取，获取个体基线的额叶theta振荡与顶叶gamma振荡的峰值频率，作为经颅交流电刺激的刺激频率；靶向位点判定模块，用于通过判定左、右脑区间峰值频率对应的功率值正、负，自动输出tACS的刺激位点，根据输出的刺激位点，刺激设备将电流输出至对应的脑区；信噪比计算模块，用于通过计算该峰值频率下的信噪比值，根据信噪比值的大小自适应输出tACS的刺激电流强度；多模式调控模型，用于根据交叉频率tACS，设置波峰嵌套与波谷嵌套模式，实现对记忆、注意力、情绪处理等认知功能障碍的靶向调控。

技术领域

本发明涉及神经调控领域，尤其涉及一种基于交叉频率耦合的个体化认知功能调节装置。

背景技术

高低频率协同编码可以通过不同频带之间的相互作用产生复杂的调制结构，调节不同时空尺度之间的通信，在协调人类感知觉、记忆、注意力等认知过程的神经元计算中起着重要作用。这种高低频神经振荡在不同尺度上的时间交互作用被称为交叉频率耦合(cross-frequency coupling，CFC)，是前额叶低频振荡对后皮层自上而下控制的一种机制。特别是theta与gamma振荡耦合(theta-gamma coupling，TGC)，被证实可以促进感知觉与学习记忆等认知活动^[1-3]。已有研究发现TGC与工作记忆的维持、长时程记忆的回忆、注意、学习等任务中神经元之间信息的交流及变化有关^[2,4,5]。Heusser等人研究发现在人类情景记忆形成的过程中，不同顺序的事件表现为嵌套在theta振荡不同相位中较高的gamma能量，这种编码模式与时间顺序记忆有关，并指出TGC可能是顺序记忆的编码机制^[6]。Friese等人的研究也表明成功的记忆编码与额叶theta振荡和后皮层gamma振荡之间的交互强度的增加有关^[7]。此外，有研究表明皮质振荡机制通过慢theta振荡与快gamma振荡的耦合对人类社会情绪行为进行控制，背外侧前额叶参与TGC模式，并通过上调顶叶皮层等区域来控制这些社交情绪行为^[8]。

经颅交流电刺激(transcranial alternating current stimulation，tACS)是一种新兴的频率特异性调控手段，通过调制特定频率的内源性神经振荡来改善特定认知功能。近年来，交叉频率tACS刺激模式开始被研究者们关注，特别是theta-gamma tACS刺激模式，主要分为波峰同步嵌套耦合(peak-coupled tACS)与波谷同步嵌套耦合(trough-coupled tACS)。两种嵌套模式是以低频信号作为基带信号，将高频信号同步叠加到基带信号的波峰或者波谷。Alekseichuk等人通过在前额叶施加theta-gamma tACS发现特别是在高gamma峰值嵌套在theta峰值时，健康受试者工作记忆能力和全局功能连接得到显著改善，且优于单一频率的theta-tACS^[2]。此外，Riddle等人通过施加theta-gamma tACS，发现在认知控制的任务规则的数量维度(记忆集合的大小)增加了theta-gamma耦合^[9]。Abelmann等人通过在前额叶皮层施加theta-gamma tACS，发现当前额叶的theta振荡与运动皮层处的gamma振荡功率增加相耦合时，社会情绪控制能力得到明显改善^[8]。基于目前的研究现状，交叉频率tACS作为一种新的tACS方案被提出用以证明不同频率振荡之间的耦合在认知功能中的因果作用，并有望成为增强或改善认知功能障碍的治疗新策略。

然而，由于个体差异性因素影响，不同个体的神经振荡靶点频率大多不尽相同，神经振荡的响应强度、异常脑区也各有差异。不同的刺激频率、刺激强度、刺激位点以及不同的嵌套模式，这些参数是影响tACS调控效果的关键因素。

发明内容