这项研究由Pedro G. Vieira、Matthew R. Krause和Christopher C. Pack完成，作者均来自加拿大蒙特利尔神经学研究所（Montreal Neurological Institute）和麦吉尔大学（McGill University）。论文发表于Nature Communications，2024年，文章编号15:4558，DOI为10.1038/s41467-024-48962-2。
这项研究属于神经调控与电生理学领域，核心关注的是时间干涉刺激（temporal interference stimulation，简称TI刺激或TI-tACS）对灵长类大脑神经元活动的影响。TI-tACS是一种非侵入性脑刺激方法，其设计初衷是为了克服传统经颅交流电刺激（transcranial alternating current stimulation，tACS）在空间靶向性上的局限。传统tACS通过头皮电极施加低频电场，虽然能改变神经活动，但难以精确聚焦，往往同时影响大片脑区。TI-tACS通过两对电极分别施加频率略有差异的高频载波（例如2000 Hz和2005 Hz），在电场重叠区域产生低频的振幅调制（amplitude modulation，AM），其频率等于两个载波频率之差（例如5 Hz）。理论上，这种低频包络只存在于电极电场交汇处，因此可以实现深层脑区的聚焦刺激。然而，此前关于TI-tACS有效性的实验证据主要来自小鼠，且所用电场强度远高于人类可接受的安全范围，因此其在灵长类大脑中的真实作用机制和强度一直缺乏直接验证。
作者在两只清醒的猕猴（Macaca mulatta）上进行了单神经元记录，共获得234个神经元的放电数据，记录位点位于预测的TI刺激焦点附近，涵盖视觉区域V4、7a和MT。实验采用视觉注视任务控制动物的行为状态，并在基线（无刺激）、TI-tACS和传统tACS条件下交替记录。TI条件中，一个载波固定为2000 Hz，另一个载波分别为2005、2010和2020 Hz，产生5、10和20 Hz的AM频率。刺激电流不超过±2.5 mA/电极对，有限元模型预测的调制深度不超过0.7 V/m，与人类TI-tACS研究中的条件相似。
实验流程主要包括三个阶段。第一阶段是TI-tACS对放电时间（spike timing）的影响评估。作者计算了相位锁相值（phase-locking value，PLV）来衡量神经元放电相对于刺激包络或局部场电位（local field potential，LFP）的节律一致性。结果显示，TI-tACS对神经元的放电率（firing rate）没有显著影响，但显著改变了放电时间。在234个神经元中有65个（28%）的PLV发生显著变化，其中49个神经元的PLV降低，仅有16个升高。进一步的分析发现，基线PLV与刺激引起的PLV变化量（ΔPLV）呈显著负相关（Spearman’s ρ = -0.43），表明TI-tACS与神经元已有的内源性节律之间发生竞争。当基线节律较弱时，TI-tACS倾向于增强节律性；而当基线节律较强时，TI-tACS反而会破坏原有的节律性，导致更不规则的放电。统计分析还发现，刺激幅度和基线PLV的交互作用是ΔPLV的唯一显著预测因子，而刺激频率和脑区对ΔPLV没有显著影响。
第二阶段是比较TI-tACS与传统tACS的相对强度。作者在154个神经元上同时施加了频率匹配的tACS和TI-tACS。传统tACS的电流固定为±1 mA，而TI-tACS的电流为±1、±2或±2.5 mA/电极对。结果显示，在65个对任一刺激有显著反应的神经元中，tACS使46%的神经元表现出更强的锁相，而TI-tACS仅为17%。通过Deming回归比较ΔPLV的效应量，未校正电流差异时，TI-tACS的效果约为tACS的0.34倍；将电流归一化后，TI-tACS的效果平均仅为tACS的12%（95%置信区间2%–22%）。这意味着即使TI-tACS施加了更大的总电流，其实际神经效应仍远弱于传统tACS。
第三阶段是探究TI-tACS有效性较弱的原因。作者提出了三个主要机制，并分别进行了实验验证。第一个机制是高频载波在进入脑组织前被分流。作者测量了从10到2000 Hz的“啁啾”刺激（chirp stimulus）在脑内产生的电位幅度，发现刺激频率越高，脑内记录到的电位越小，且这种衰减并非记录系统本身所致（对照组中无此衰减）。这表明皮肤、肌肉和骨骼等组织对高频电流的导电性较低，使TI-tACS的载波难以有效进入脑内。第二个机制是神经元对AM包络的解调（demodulation）效率较低。作者设计了一个对比实验：在相同电极对上分别施加10 Hz传统tACS和载波为2000 Hz、AM为10 Hz的振幅调制tACS（AM-tACS）。通过补偿高频衰减，使AM-tACS产生的场强至少不低于tACS，结果AM-tACS引起的PLV增加仍仅为tACS的一半左右（p=0.01），说明神经元提取AM包络的能力存在固有损失。第三个机制与TI的物理特性相关。为了获得空间聚焦，电极对之间的分离往往需要增大，这会降低电场强度，进而限制AM深度。这在本研究的动物模型中更为明显，因为猴头较小且部分头皮位置被实验装置遮挡。
综合以上结果，作者得出结论：TI-tACS确实能够非侵入性地改变灵长类大脑中神经元的放电时间，但并不会改变放电率。这表明神经元能够解调振幅调制的电场，但这种解调效率较低。由于高频载波的衰减、不完全解调和多电极配置带来的场强损失，TI-tACS的总体效应比相同电流条件下的传统tACS弱约80%。因此，在人类可安全使用的强度范围内，TI-tACS不太可能完全克服大脑现有的振荡活动并施加新的节律，而更可能干扰或破坏异常的同步振荡。作者指出，这种“弱点”反而可能成为治疗优势：许多神经系统疾病（如癫痫、帕金森病和精神分裂症）与过度的神经同步有关，TI-tACS可能在深部脑区局部降低这种病理性同步。此外，研究也提到可以通过提高刺激电流（在高频下人类耐受性更高）或设计更易于被神经元解调的波形来增强TI-tACS的效果。
该研究的亮点在于首次在清醒灵长类动物上以单神经元分辨率直接测量了TI-tACS的神经效应，填补了小鼠实验和人类研究之间的空白。研究不仅证实了TI-tACS对放电时间的影响，也定量揭示了其相对于传统tACS的强度劣势，并系统解析了造成这种劣势的电生理和组织物理机制。此外，作者通过精心设计的AM-tACS对照实验，区分了电流分流和解调效率两个限制因素，为未来改进TI刺激方案提供了实验依据。研究还强调了高频刺激在脑内的频率依赖性衰减这一常被有限元模型忽视的因素，提示未来计算模型需要纳入与载波频率相关的组织电导率数据。
从学术价值来看，这项研究对TI-tACS的底层机制提供了关键的实证约束，有助于纠正该领域此前基于强电场动物实验的过度乐观预期。从应用角度看，研究为TI-tACS在神经和精神疾病治疗中的定位提供了重要参考：它可能不适用于增强特定节律，但在需要局部去同步化的场景中具有潜力。此外，作者提出的关于提高刺激电流、改进波形设计以及在闭环系统中利用TI不污染目标频段优势的思路，为后续转化的研究方向提供了明确建议。