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AI 如何为 TMS 找到“对的相位”?闭环系统让刺激学会因人而异

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传统经颅磁刺激(TMS)的参数通常是固定的,像一把“万能钥匙”去尝试打开所有人的大脑之门。然而,大脑的兴奋性状态每时每刻都在波动,对张三有效的刺激时刻,对李四可能无效。如何让TMS变得更“聪明”,能实时读懂大脑的“情绪”,并自动调整策略?最近,发表在《NeuroImage》(IF≈5.9)上的一项研究,给出了一个令人兴奋的技术答案:利用人工智能(AI)中的强化学习,让TMS系统自动找到最适合个体的刺激时机。研究首次在25名健康志愿者中验证了这一闭环系统的可行性,结果显示,AI找到的“最优相位”能使刺激效果平均提升约38%,并能诱导大脑网络连接的持久变化。

这里说的“相位”,可以理解为大脑电活动(如μ节律,一种8-13Hz的脑波)周期中的特定时间点,好比海浪在波峰或波谷的瞬间。过去的研究发现,在特定相位(如波谷附近)给予TMS,能引发更强的反应(即皮层脊髓兴奋性更高)。但这需要研究人员预先设定一个“固定目标”(比如总是瞄准波谷),无法适应每个人、甚至同一个人在不同时刻的脑状态差异。这项新研究旨在解决这个核心痛点:能否让系统自己去“试错”和“学习”,动态找到最有效的那个相位?

让刺激学会“看人下菜”

研究团队设计了一个闭环系统。它像一个正在学习游戏的AI玩家,其核心是强化学习智能体(Agent)。在每一次TMS脉冲刺激前,智能体会从8个可能的相位区间中选择一个。刺激后,系统立即测量大脑的反应(配对脉冲运动诱电位,ppMEP幅度)。这个反应被转化为一个“奖励”信号:如果反应朝着预设目标(如增强兴奋性)变化,就给予正奖励;反之则给予负奖励。通过这400次“试错”循环(分为10个训练轮次(epoch)),智能体逐渐学会哪些相位能稳定地带来高奖励。

该系统验证了基于强化学习的闭环EEG–TMS自适应刺激框架。依托个体MRI神经导航,将双TMS线圈精准定位于左侧辅助运动区(SMA)与原始运动皮质(M1)手区,采用成对脉冲TMS(ppTMS)范式(SMA条件刺激+M1试验刺激,ISI=6 ms),配合64导高密度EEG和第一背侧骨间肌(FDI)表面肌电(EMG)实时采集。通过预测μ节律相位并实时触发TMS,深度学习智能体以ppMEP幅度变化为奖励参考,在多次训练中自动锁定最优相位,分别实现兴奋性上调或下调,并设对照。评估涵盖spMEP/ppMEP幅度、ppMEP/单脉冲MEP(spMEP)易化指数,以及静息态功能连接分析,统计学采用线性混合效应模型+贝叶斯模型交叉验证。整个流程如图1所示。


图1:研究设计总览。核心流程为:基线评估后,强化学习智能体(RL-Agent)通过“行动(选择相位)-观察(获得的诱发电位)-奖励”循环进行训练,以找到增强或减弱皮层兴奋性的最优μ节律相位。训练结束后,立即在30分钟后分别评估效果

下图(图2)展示了AI智能体在10个训练轮次中的学习过程。随着训练轮次增加,无论是“增强”还是“减弱”条件,智能体选择其最终认定“最优相位”的比例都在上升。这说明AI确实从反馈中“学到”了东西。


图2:强化学习智能体的学习曲线。随着训练轮次增加,智能体选择其最终识别出的“最优相位”的比例逐渐上升,表明学习发生。橙色为“增强”条件,蓝色为“减弱”条件 38%的提升与30分钟的余效

那么,AI找到的“最优相位”真的更有效吗?结果是肯定的。在“增强”条件下,当专门刺激AI学到的最优相位时,大脑反应(ppMEP幅度)相比基线平均增强了约38%。这是一个显著的效应,如果对比随机相位刺激,这个优势就非常明显了。下图(图3)直观地展示了这种差异。


图3:AI识别出的“最优相位”分布。橙色区域显示,在“增强”条件下,最优相位多集中在μ节律的上升半周期(波谷到波峰);蓝色区域显示,在“减弱”条件下,则多集中在下降半周期(波峰到波谷)

更重要的是,这种优化的刺激似乎能留下“持久印记”。在学习结束30分钟后,研究人员通过静息态脑电图(EEG)发现,在“增强”条件下,左侧辅助运动区(SMA)与初级运动皮层(M1)之间的功能连接显著增强,而“减弱”和“随机”条件下则没有这种变化。功能连接反映了不同脑区协同工作的紧密程度,这提示AI引导的精准刺激可能对大脑网络产生了可测量的、持久的调节作用,如图4所示。


图4:训练后30分钟,左侧辅助运动区(SMA)与初级运动皮层(M1)之间的静息态功能连接变化。“增强”条件下连接显著增加(黄色),而“减弱”和“随机”条件下无显著变化 技术验证之后:离临床还有多远

这项研究的核心价值在于验证,而非宣称疗效。它在健康人群中,证实了“识别脑状态-自适应决策-实时反馈”这一闭环模式的技术可行性。论文讨论中指出,AI识别出的最优相位(“增强”条件下多在上升半周期)与之前许多开环研究中报告的高兴奋性相位一致。这表明AI能够独立地、以数据驱动的方式“重新发现”这些生理学规律,这是其可信度的重要佐证。

当然,我们需清醒认识研究的边界。首先,这是一项针对健康人的机制验证,而非临床疗效研究。其次,系统的智能化目前聚焦于单一的μ节律相位。未来的系统可能整合更多脑电特征,如μ节律的功率、不同脑区间的连接强度等,进行更全面的“脑状态”画像和决策。最后,从实验室原型到可靠的临床设备,还需解决算法效率、硬件实时集成、临床转化路径等诸多挑战。

这项研究描绘的未来图景,与依瑞德长期投入的个性化调控、闭环神经调控以及EEG/fNIRS-TMS多模态融合技术方向高度契合。它为未来智能化TMS系统如何实现“看人下菜”式的自适应刺激,提供了一条具体且经初步验证的技术路线参考。这预示着,未来的神经调控或许不再仅仅是“执行医嘱”,而是能够像一位经验丰富的医生一样,在刺激的每一刻都在“观察”并“思考”如何做出最佳调整。当然,从这项健康人群的技术验证走向普惠的临床应用,还有很长的路要走,需要跨学科的持续攻关。

撰文:吴玉莲、程希的Agent

审核:尧利书

编辑:马睿琦

参考文献:Humaidan D, Xu J, Chen J, et al. A first realization of reinforcement learning - based closed-loop EEG – TMS[J]. NeuroImage, 2026; 339: 122176.

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