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低强度经颅聚焦超声刺激（transcranial focused ultrasound stimulation, TFUS）是一种新兴技术，兼具成熟的侵入性（如脑深部刺激；deep brain stimulation, DBS）和非侵入性（如经颅磁刺激；transcranial magnetic stimulation, TMS）神经刺激方式的特征。与DBS类似，TFUS能够以毫米级精度靶向脑内非浅表结构。与TMS类似（且不同于DBS），从临床角度看，TFUS最重要的生理效应在于其能够通过相对较短的刺激疗程诱导神经可塑性变化（长时程增强/长时程抑制；long term potentiation/depression, LTP/LTD）。因此，一个引人关注的可能性随之产生：尽管TFUS与TMS的主要作用机制截然不同（机械感受性机制与电磁机制），它们仍可能共享一种共同的次级作用机制（由时间模式化刺激诱导可塑性）。因此，关于这一机制通路的定量数学理论，可能在这两种刺激方式中都具有重要的解释价值与预测价值。 然而，这类理论的发展面临两项主要挑战：i）实验结果显示，在名义上相似的刺激参数下，TFUS与TMS在可塑性效应方面呈现相互矛盾的结果；ii）即便是在高度对齐的方案设计中，例如连续θ突发刺激（continuous theta burst, cTB），二者仍存在无法消除的波形模式差异（即脉冲与平滑正弦波的差异）。本文表明，一个关于皮质-丘脑回路中钙依赖性突触可塑性的数学模型——该模型此前已在TMS研究中得到广泛发展——确实能够对这两种刺激方式的效应提供统一描述。利用该模型对一系列TFUS和TMS方案进行数值模拟，所得可塑性效应与刺激诱导的皮层兴奋性调节的经验测量结果一致。 特别是，我们的模型通过以下两方面回应了上述挑战：i）调和了在相同刺激参数下不同刺激方式之间表面上相互矛盾的结果；ii）提出了一种简单的代数方法——我们称之为“等效能量原理”——用于定义相对应的（θ突发）TMS和TFUS波形。该模型能够解释多种刺激方式下效应的差异，这进一步支持了其所依据的一般理论，即关于基于钙的刺激可塑性效应调控的理论——该理论跨越了从离子通道动力学到神经群体活动的多个系统组织尺度。我们的工作还为未来实验与理论TFUS和TMS研究之间新实验观察与见解的双向迁移奠定了基础，其中包括基于模型的方案优化策略，以及新型可塑性诱导TFUS和TMS范式的发现。
统一经颅聚焦超声与经颅磁刺激效应的钙依赖性突触可塑性理论 | bioRxiv
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统一经颅聚焦超声与经颅磁刺激效应的钙依赖性突触可塑性理论
查看 ORCID 个人资料 Yupeng Tian， 查看 ORCID 个人资料 Kevin Kadak， Kushi Kankaria， Ravindu Upasena， Vijay Kumar Murty， Robert Chen， John D. Griffiths
doi： https://doi.org/10.64898/2026.07.09.737614
Yupeng Tian 1 多伦多大学； 在 Google Scholar 上查找该作者 在 PubMed 上查找该作者 在持有人为作者/资助方，其已授予 bioRxiv 永久展示该预印本的许可。 本文依据 CC-BY-ND 4.0 International 许可协议公开提供。
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发布于 2026 年 7 月 16 日。
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统一经颅聚焦超声与经颅磁刺激效应的钙依赖性突触可塑性理论
Yupeng Tian， Kevin Kadak， Kushi Kankaria， Ravindu Upasena， Vijay Kumar Murty， Robert Chen， John D. Griffiths
bioRxiv 2026.07.09.737614； doi： https://doi.org/10.64898/2026.07.09.737614
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统一经颅聚焦超声与经颅磁刺激效应的钙依赖性突触可塑性理论
Yupeng Tian， Kevin Kadak， Kushi Kankaria， Ravindu Upasena， Vijay Kumar Murty， Robert Chen， John D. Griffiths
bioRxiv 2026.07.09.737614； doi： https://doi.org/10.64898/2026.07.09.737614
📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.07.09.737614v1?rss=1
🏷️ 经颅聚焦超声刺激 经颅磁刺激 钙依赖性突触可塑性 神经调控 数学建模