基于交叉频率耦合的个体化认知功能调节装置

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1.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：

2.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]
。
[0003]
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新策略。
[0004]
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。

技术实现要素：

[0005]
本发明提供了一种基于theta-gamma交叉频率耦合的个体化认知功能调节装置，本发明通过采集个体基线的静息脑电信号，提取额叶theta振荡与顶叶gamma振荡的峰值频率作为刺激频率，通过计算峰值频率下的功率差值以及信噪比，自动输出刺激位点与电流强度；本发明设置两种theta-gamma tacs嵌套模式以供选择，通过高、低频振荡协同解码，实现个体化靶向精准调控，改善或提高注意力、记忆、以及情绪处理等认知功能，详见下文描述：
[0006]
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：
[0007]
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；
[0008]
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；
[0009]
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；
[0010]
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。
[0011]
其中，所述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振荡的峰值频率具体为：
[0012]
运用welch频谱分析计算f3与f4导联下每段epoch的theta频段范围的功率谱曲线，并在epoch水平上进行叠加平均；
[0013]
通过谱减法获取f3导联减去f4导联的theta频段的功率谱差值曲线；
[0014]
运用matlab中内置的峰值求取函数与最大值求取函数，获取theta频段的峰值频率，通过计算p3与p4导联下gamma频段的相对功率曲线，获取个体gamma峰值频率。
[0015]
进一步地，所述用于通过判定左、右脑区间峰值频率对应的功率值正、负，自动输出tacs的刺激位点具体为：
[0016]
当theta与gamma峰值频率下的相对功率值均大于0时，刺激位点为f4-p4；
[0017]
当theta峰值频率下的相对功率值大于0但gamma峰值频率下的相对功率值小于0时，刺激位点为f4-p3；
[0018]
当theta与gamma峰值频率下的相对功率值均小于0时，刺激位点为f3-p3；
[0019]
当theta峰值频率下的相对功率值小于0但gamma峰值频率下的相对功率值大于0时，刺激位点为f3-p4。
[0020]
其中，所述方法包括：
[0021]
根据计算的theta与gamma峰值频率和刺激位点，计算目标位点下theta与gamma振荡的信噪比，如下式：
[0022][0023]
其中，i指的是theta或gamma频段，指的是该频段峰值频率下的功率值，指的是该频段范围下的总功率值。
[0024]
本发明提供的技术方案的有益效果是：
[0025]
1、本发明针对theta与gamma振荡的个体差异性大、刺激参数优化方法缺乏、闭环调控策略发展不足等问题，提出了一种新的个体化的闭环精准theta-gamma tacs调控装置，通过自动化参数优化算法，解决了目前存在的个体差异和靶向调控信息不足等问题，有助于实现精准闭环靶向调控；
[0026]
2、本发明通过提取基线的额叶theta振荡与顶叶gamma振荡，计算个体theta与gamma活动的峰值频率，实现对刺激频率的靶向输出；根据峰值频率下功率差值的正、负自动输出刺激位点；
[0027]
3、本发明通过计算theta与gamma峰值频率下的信噪比，实现对刺激电流强度的自动设置；此外，配置两种theta-gamma耦合的嵌套模式，通过闭环精准调控提高注意力、记忆、社会情绪行为控制等认知功能，进而辅助临床对伴有认知障碍疾病的。
附图说明
[0028]
图1为个体theta与gamma振荡的峰值频率求取示意图；
[0029]
图2为刺激位点示意图；
[0030]
图3为theta-gamma波峰嵌套和波谷嵌套两种模式波形示意图；
[0031]
图4为基于theta-gamma交叉频率耦合的个体化认知功能调节装置的工作示意图。
具体实施方式
[0032]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0033]
实施例1
[0034]
一种基于theta-gamma交叉频率耦合的个体化认知功能调节装置，参见图1，该装置包括：
[0035]
峰值频率自动化提取模块，利用谱分析与自动化频率提取算法，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(transcranial alternating current stimulation,tacs)的刺激频率；
[0036]
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；
[0037]
其中，刺激位点就是刺激电极，它直接与刺激设备的刺激通道连接。刺激电极用电极帽固定在被试头部的对应脑区，根据此处输出的刺激位点，例如：f3和p4，刺激设备会在f3和p4这两个通道处输出电流。其主要作用就是根据功率响应，定位异常响应的脑区，进而对异常的脑区进行电刺激。
[0038]
信噪比计算模块，用于通过计算该峰值频率下的信噪比值，根据信噪比值得到大小自适应输出tacs的刺激电流强度；
[0039]
多模式调控模型，用于根据交叉频率tacs，设置两种theta-gamma tacs的嵌套模式，即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。
[0040]
综上所述，本发明实施例通过上述模块实现了个体化靶向精准调控，改善或提高
注意力、记忆、以及情绪处理等认知功能。
[0041]
实施例2
[0042]
下面结合具体的实例，图2-图3，计算公式对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：
[0043]
一、预处理模块：
[0044]
依托10-20国际标准导联系统，采集额叶f3、f4与顶叶p3、p4以及右侧乳突m2导联下的2min睁眼静息脑电数据，参考电极为左侧乳突m1，将采集到的静息态脑电数据进行预处理操作；
[0045]
具体步骤包括：双耳平均重参考，带通滤波为1-100hz；降采样至500hz；运用独立成分分析(ica)去除眼电、肌电等伪迹干扰；然后将连续的2min静息数据划分成5s的epoch。
[0046]
二、峰值频率自动化提取模块：
[0047]
运用welch频谱分析算法计算f3与f4导联下每段epoch的theta(4-8hz)频段范围的功率谱曲线，并在epoch水平上进行叠加平均；通过谱减法获取f3导联减去f4导联的theta频段的功率谱差值曲线，即相对功率曲线(如图1(a))。随后，运用matlab中内置的峰值求取函数findpeaks()与最大值求取函数max()，获取theta频段的峰值频率，如图1中的(a)图所示，示例中个体的theta峰值频率为6.8hz。同样地，重复上述步骤，通过计算p3与p4导联下gamma频段(60-90hz)的相对功率曲线，获取个体gamma峰值频率，如图1中的(b)图所示，示例中个体的gamma峰值频率为74hz。
[0048]
三、靶向位点判定模块：
[0049]
通过判定峰值频率对应的相对功率的正负，自动调整刺激位点；本发明实施例共涉及4种位点选择方案(如图2所示)，位点自动选取具体为：当theta与gamma峰值频率下的相对功率值均大于0时，刺激位点为f4-p4；当theta峰值频率下的相对功率值大于0但gamma峰值频率下的相对功率值小于0时，刺激位点为f4-p3；当theta与gamma峰值频率下的相对功率值均小于0时，刺激位点为f3-p3；当theta峰值频率下的相对功率值小于0但gamma峰值频率下的相对功率值大于0时，刺激位点为f3-p4。
[0050]
其中，刺激位点主要是左右两侧的额叶和左右两侧的顶叶这四个位点。选取这四个位点的原因是额叶和顶叶与认知功能密切相关。这四个位点对应的就是国际10-20系统的电极放置的位置，两侧额叶分别对应的是f3，f4；两侧顶叶分别对应的是p3，p4。
[0051]
四、信噪比计算模块：
[0052]
计算峰值频率下的信噪比(signal noise ratio,snr)，根据计算的theta与gamma峰值频率和刺激位点，计算目标位点下theta与gamma振荡的信噪比，如下式：
[0053][0054]
其中，i指的是theta或gamma频段，指的是该频段峰值频率下的功率值，指的是该频段范围下的总功率值，以图1提取的峰值频率为例，若i为theta且根据第三步靶向位点判定模块确定的刺激位点为f4与p4，此时，指的是在f4导联下的6.8hz下的功率值，指的是在f4导联下4-8hz范围内的总功率值。
[0055]
其中，theta-gamma tacs调控参数输出规则如下：
[0056]
1)刺激频率：根据峰值频率自动化提取模块中的峰值频率的提取操作，获取每个
个体的峰值频率，在这里将theta与gamma振荡的峰值频率定义为与由于频率与角速度之间的关系ω＝2πf，以正弦波形为例，可得：
[0057][0058]
其中，为i频段的峰值频率，由于i∈{θ，γ}，即表示theta或gamma振荡的峰值频率。
[0059]
2)刺激位点：根据峰值频率对应的相对功率的正负，获取个体靶点脑区，主要包含四种位点(sites)方案，分别是(1)f4-p4；(2)f4-p3；(3)f3-p3；(4)f3-p4：选取如下：
[0060][0061]
其中，δp
θ
表示f3导联下theta峰值频率的功率值减去f4导联下theta峰值频率的功率值的相对功率大小。δp
γ
表示p3导联下gamma峰值频率的功率值减去p4导联下gamma峰值频率的功率值的相对功率大小。
[0062]
3)刺激强度：根据计算的snr的大小选择刺激电流的强度，主要包含刺激强度为1ma和2ma两种类型，强度输出判别公式如下：
[0063][0064]
其中，a表示电流强度的大小，具体设置如下：
[0065][0066]
其中，t表示的是阈值的大小，可以根据使用需求进行设置，snr
θ
表示theta频段的信噪比，snr
γ
表示gamma频段的信噪比。
[0067]
4)嵌套模式：本发明实施例主要配置波峰嵌套与波谷嵌套两种theta-gamma tacs嵌套模式，如图3所示。
[0068]
其中，在根据频率标定计算出的theta与gamma峰值频率以及电流大小，获取基带信号s
θ
(t)与载波信号s
γ
(t)。其中，波峰嵌套模式，对应波形选择如下：
[0069][0070]
相应地，输出的波谷嵌套模式，对应波形如下：
[0071][0072]
其中，β1，β2∈[0，a]表示调幅指数，可根据需求进行相应调整。
[0073]
以与刺激位点为f4-p4，电流大小均为1ma，β1＝0.5，β2＝0.6为例，两种峰值频率信号与嵌套模式输出波形如图3所示。
[0074]
实施例3
[0075]
下面结合图4对实施例1和2中的方案进行可行性验证，详见下文描述：
[0076]
图4为本发明实施例的整体流程示意图，通过分析2min睁眼状态下f3、f4、p3、p4这4个导联下的功率谱，得到功率曲线。依托已有研究提出的左、右半球振荡偏侧现象，结合谱减法，绘制额叶theta与顶叶gamma相对功率谱曲线，标定theta与gamma振荡的峰值频率。进一步通过对比分析与信噪比提取，获取靶向刺激位点与电流大小。根据调控目的，针对性选取波峰与波谷嵌套模式，实现对注意力、记忆以及情绪处理等认知功能的精准调控。
[0077]
本发明实施例的主旨是提出一种基于theta-gamma耦合的个体化认知功能调节装置。通过提取额叶theta与顶叶gamma的峰值频率，结合信噪比判定，实现对刺激频率、刺激位点、刺激强度的自适应输出，进而实现对注意力、记忆以及情绪行为控制等认知能力的更为精准靶向的调节。
[0078]
该项发明可以有效的对注意力、记忆以及情绪行为控制能力等认知功能实现精准的调节，且具有个体化、靶向性，可获得可观的社会效益和经济效益。最佳实施方案拟采用专利转让、技术合作或产品开发。
[0079]
参考文献
[0080]
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[8]abelmann a.influencing social-emotional actions:the effect of theta-gamma coupled tacs on social-emotional actions and apfc-m1 functional connectivity[j].2019.
[0088]
[9]riddle j,mcferren a,frohlich f.causal role of cross-frequency coupling in distinct components of cognitive control[j].progress in neurobiology,2021,202:102033.
[0089]
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
[0090]
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0091]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种基于交叉频率耦合的个体化认知功能调节装置，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的一种基于交叉频率耦合的个体化认知功能调节装置，其特征在于，所述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振荡的峰值频率具体为：运用welch频谱分析计算f3与f4导联下每段epoch的theta频段范围的功率谱曲线，并在epoch水平上进行叠加平均；通过谱减法获取f3导联减去f4导联的theta频段的功率谱差值曲线；运用matlab中内置的峰值求取函数与最大值求取函数，获取theta频段的峰值频率，通过计算p3与p4导联下gamma频段的相对功率曲线，获取个体gamma峰值频率。3.根据权利要求1所述的一种基于交叉频率耦合的个体化认知功能调节装置，其特征在于，所述用于通过判定左、右脑区间峰值频率对应的功率值正、负，自动输出tacs的刺激位点具体为：当theta与gamma峰值频率下的相对功率值均大于0时，刺激位点为f4-p4；当theta峰值频率下的相对功率值大于0但gamma峰值频率下的相对功率值小于0时，刺激位点为f4-p3；当theta与gamma峰值频率下的相对功率值均小于0时，刺激位点为f3-p3；当theta峰值频率下的相对功率值小于0但gamma峰值频率下的相对功率值大于0时，刺激位点为f3-p4。4.根据权利要求1所述的一种基于交叉频率耦合的个体化认知功能调节装置，其特征在于，所述方法包括：根据计算的theta与gamma峰值频率和刺激位点，计算目标位点下theta与gamma振荡的信噪比，如下式：其中，i指的是theta或gamma频段，指的是该频段峰值频率下的功率值，指的是该频段范围下的总功率值。

技术总结

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。处理等认知功能障碍的靶向调控。处理等认知功能障碍的靶向调控。