经颅直流电刺激中的电极定位与 montage

摘要

经颅直流电刺激（tDCS）是一种调节皮层兴奋性的成熟技术^1,2。由于其对皮层可塑性具有影响，且操作简便、安全性高，该技术已被用作神经科学领域的研究工具。tDCS 显示出令人鼓舞效果的一个应用领域是缓解疼痛 ^3-5。

摘要

经颅直流电刺激（tDCS）是一种在过去十年中被广泛研究的技术，该方法提供了一种无创且安全的手段来改变皮层兴奋性²。单次tDCS刺激的效果可持续数分钟，且其效应依赖于刺激的极性，例如阴极刺激可降低皮层兴奋性，而阳极刺激则可提高皮层兴奋性，且该效应可能持续至刺激结束后⁶。这些效应已在认知神经科学领域以及多种神经精神疾病的临床研究中得到探索——尤其是在连续多日施加刺激时更为显著⁴。目前正受到神经科学家和临床医生广泛关注的一个应用方向，是使用tDCS调节与疼痛相关的神经网络^3,5。在疼痛研究中，已有针对两个主要皮层区域的调控探索：初级运动皮层和背外侧前额叶皮层⁷。由于电极布局在实验中具有关键作用，本文将介绍在疼痛相关tDCS临床试验中电极放置的不同方案，并讨论每种刺激方法的优缺点。

方案

1. 材料

1. 检查是否已备齐所有所需材料（表1、图1）。
   经颅直流电刺激（tDCS）设备应为电池驱动，且能够作为恒流刺激器运行，最大输出电流在毫安（mA）范围内。某些设备的电池可充电。恒压（电压控制）刺激器不适用于tDCS。使用电源插座供电既不方便也不合适，因为故障设备可能在无预警情况下输出高强度电流。
2. 用于tDCS的电极通常由金属或导电橡胶电极组成，包裹在浸有电解液（含盐液体）的穿孔海绵袋中。另一种选择是使用导电凝胶的橡胶电极。当直流电长时间通过金属电极时（刺激器中的电子在此处转化为通过身体传导的离子⁸），可能产生不良的电化学产物，例如pH值变化。海绵袋可在物理上隔离皮肤与电化学变化，从而起到缓冲作用。
3. 因此，在tDCS过程中，切勿将金属或橡胶电极直接接触皮肤。同样，在刺激过程中，使用者应警惕海绵脱水或移位。另一个相关考虑因素是tDCS电极的耐用性与可重复使用性。根据我们的经验，特别是在电极极性轮换使用且始终维持适当刺激条件的情况下，橡胶和金属电极可重复使用。电解液的选择将在下文进一步讨论。根据操作经验，建议使用平整且穿孔不过于粗糙的海绵，因其能更好地吸收电解导电溶液，并提供均匀的皮肤接触⁸。
4. 可考虑局部使用麻醉剂。尤其在短暂刺激且无法进行电流渐升（ramping）的情况下，局部麻醉可能预防由tDCS引起的躯体感觉感知和不适感。另一个使用局部麻醉剂的原因是为了在假刺激与真实tDCS条件下实现最佳可比性，因为受试者无法感知电流是否通过，从而确保理想的盲法状态。然而，当计划使用较高强度刺激时，该方法的盲法效果可能减弱⁷。尽管感觉/疼痛与皮肤刺激并不总是相关，但过度使用局部麻醉剂可能掩盖诸如灼伤等严重不良反应。

本指南中，我们展示了用于疼痛管理的最典型经颅直流电刺激（tDCS）设置：使用导电橡胶电极和口袋式穿孔海绵，两者均放置于头部，且不使用局部麻醉剂。

2. 测量

1. 确保受试者舒适地坐着。
2. 通过测量头皮来确定刺激区域。通常采用脑电图（EEG）10/20系统作为标准⁷。刺激部位的选择取决于您的实验设计。
3. 确定头顶点（Vertex）的位置（图2）：
   测量鼻根点至枕外隆突之间的距离，并用皮肤标记笔标出中点。
   鼻根点——位于前额与鼻梁交界处，即鼻骨连接处（图3）。
   枕外隆突——枕骨最突出的部位（图3）。
   测量两侧耳前点之间的距离并标出其中点。将这两个中点连接，其交汇处即为头顶点。
4. 1. 定位初级运动皮层（M1）：取耳间距离的20%，从Cz点沿耳间连线向一侧（头顶点侧方）量取该距离（图4），所得位置应对应于EEG的C3或C4位点。鉴于传统大电极经颅直流电刺激（tDCS）的空间聚焦性有限，此定位方法已足够。若使用空间更聚焦的tDCS，则可能需要其他皮层定位方法。
   2. 定位背外侧前额叶皮层（DLPFC）^9,10：一种实用方法是从M1位置向前量取5厘米，或使用10/20 EEG系统定位。该位置应对应于EEG的F3或F4位点（见图5）。在使用传统tDCS电极时，此方法足以确定刺激位点；而对于更聚焦的tDCS，可能需要采用其他皮层定位技术，例如神经导航。

3. 皮肤准备

1. 检查皮肤是否存在任何预先存在的刺激、伤口或病变——避免在受损皮肤或颅骨病变区域进行刺激。
2. 为提高导电性，将刺激部位的毛发移开，并清洁皮肤表面，去除乳液、污垢等残留物，然后使其自然干燥。对于毛发较浓密的受试者，可能需要使用导电凝胶。
3. 若使用可重复使用的电极，请检查橡胶嵌件和海绵是否有磨损。如发现任何老化或损坏迹象，应丢弃污染或破损的部件，并更换新的电极。

4. 放置电极

1. 在确定刺激部位并完成皮肤准备后，应将一条弹性或橡胶头带环绕头部一周。弹性头带应置于枕外隆凸下方，以避免刺激过程中发生移位。弹性头带应由非导电材料制成（否则会起到电极作用），并采用非吸水性材料（以防止头带吸收海绵中的液体）。
2. 每侧海绵均需用生理盐水充分浸湿。对于35 cm² 海绵，每面大约6 mL溶液即可（每块海绵总共12 mL）。注意不要过度浸泡海绵（不应过湿至有液体渗出，但也不能过干，以确保良好的电极接触）。避免液体在受试者身上溢出。如有需要，可使用注射器添加更多溶液。
   有证据表明，在经颅直流电刺激（tDCS）过程中，与高浓度氯化钠溶液（220 mM）相比，低浓度氯化钠溶液（15 mM）的电解质溶液被认为更舒适。^11,12由于去离子水的离子强度远低于所有NaCl溶液，因此与NaCl溶液相比，电流通过电极和皮肤时需要显著更高的电压。因此，建议使用NaCl浓度在15 mM至140 mM范围内的溶液进行经颅直流电刺激（tDCS），因为在此浓度范围内，刺激更易被感知为舒适，所需电压适中且仍能保证良好的电流导通。¹¹ 使用凝胶（借鉴自脑电图等应用）也曾被考虑过——主要局限在于使用穿孔海绵电极时，刺激后需要更繁琐的清洁工作，且并未证明对结果有显著改善。
3. 将电缆连接到设备上。
   请参考您的刺激器操作手册，确认刺激器应在连接电极之前还是之后开启。使用任何刺激器时，均不得在电流启动后连接或断开电极。务必确保连接极性正确，因为经颅直流电刺激（tDCS）的效果具有高度的极性特异性（通常红色表示阳极电极，黑色或蓝色表示阴极电极；此为通用惯例，但请以您的设备说明为准）。需注意，在tDCS（以及更广泛的电刺激）语境中，“阳极”始终指相对正极，即正电流流出的端口 引言 身体，而“Cathode”表示正电流由此进入的相对负极 退出 身体
4. 将连接线插针牢固地插入导电橡胶嵌件上插座的开口中。
5. 将导电橡胶嵌件滑入海绵中。电缆的绝缘部分将从海绵袋开口处伸出。确保整个导电橡胶嵌件均被海绵覆盖，且连接线插针的任何部分均不可外露。
6. 将一块海绵电极置于弹性头带下方。操作过程中应确保海绵中的液体不会过量渗出到头皮上，以免电流在头皮上扩散并导致海绵液体流失。
7. 根据您要使用的电极导联方式，将第二根弹性头带连接到第一根弹性头带上（表2。也可使用其他弹性头带。
8. 将第二个海绵电极放置在头部第二个弹性头带下方，确保将其置于需要刺激的标记区域。
9. 从一个设备端子出发，经过一个电极，穿过身体，再通过第二个电极，最终返回第二个设备端子的路径构成一个电路——该电路的总电阻（电极电阻与身体电阻之和）可被测量。如果总电阻异常升高，可能提示电极设置不当。若您的设备具备电阻测量功能——建议使用此功能——其指示区域应显示适当的电极接触状态。理想情况下，应使阻抗低于5k Ohms。部分设备显示的是路径上的电压而非电阻——在此情况下，可通过欧姆定律（电阻 = 指示电压 / 施加电流）简单计算出电阻值。许多设备在刺激过程中持续提供电阻监测，这为检测潜在危险情况（如电极干燥）提供了有效手段。在某些情况下，当电阻超过特定阈值时，设备将自动终止刺激或降低刺激强度。

5. 开始经颅直流电刺激（tDCS）

1. 在开始操作前，需对受试者进行禁忌证筛查（参见讨论部分）。
2. 受试者在操作过程中应保持放松、舒适且清醒状态。 应避免对经颅直流电刺激（tDCS）期间的皮层当前活动产生不受控制的干扰。针对运动皮层区域的刺激研究表明，与目标区域无关的高强度认知努力，以及通过长时间肌肉收缩引起的运动皮层广泛激活，均会消除tDCS的效果。¹³.
3. 调整你希望使用的经颅直流电刺激（tDCS）刺激器的参数设置，包括刺激强度、时间，以及根据设备情况设置的假刺激条件图10请注意，某些刺激器必须在电极与皮肤接触之前开启，以避免电击。
4. 现在开始进行经颅直流电刺激（tDCS）。为减少任何不良反应，应通过逐步增加电流的方式启动电流输出。许多商用设备具备自动渐升和渐降电流的功能。需要注意的一点是，即使在电流停止后，受试者通常仍会持续感受到一定程度的局部感觉。
5. 部分受试者在初始经颅直流电刺激（tDCS）期间可能会感到不适。在此情况下，可暂时适度降低电流强度（例如降低50%），待受试者适应后，再逐渐恢复至目标水平。此功能可能取决于所使用的设备型号。
6. 在刺激开始时，大多数受试者会感到轻微的瘙痒感，但这种感觉在多数情况下会逐渐消失。同样，刺激电路的快速变化可能立即引发外周神经放电。当电极靠近眼睛时，受试者可能会察觉到短暂的视网膜光幻视。这些效应在治疗开始和结束时通过逐步升高和降低电流强度可在很大程度上避免。这种方法还可能防止因电流突然增加或减少而偶尔出现的头晕或眩晕感。⁷
7. 刺激结束后，电流也应逐渐减小至关闭。 高分辨率经颅直流电刺激（HD-tDCS）说明： 经颅直流电刺激使用小于约2 cm的电极² 称为高分辨率经颅直流电刺激（HD-tDCS），通常使用电极阵列（超过两个电极）以引导电流通过大脑，用于特定应用¹⁴本文仅关注传统的经颅直流电刺激（使用较大的海绵电极），需要特别强调的是，高分辨率经颅直流电刺激（HD-tDCS）需要使用特定的电极¹⁵，皮肤准备以及刺激器硬件。它是一种 不 建议使用1-2 mA的海绵电极进行经颅直流电刺激（tDCS）^14,15.

6. 操作后的处理

1. 为了定期评估经颅直流电刺激的效果，并长期记录该技术的安全性，建议使用不良反应问卷。
2. 此类问卷应包含与tDCS相关的任何可能的不良反应。最常见的不良反应包括刺痛感、瘙痒感和灼烧感、头痛以及不适感。可在Brunoni et al. (2011)¹⁶ 的文章中找到此类问卷的示例。同时建议收集关于不良反应的定量数据，例如采用1至5级或1至10级评分量表。
3. 还应在假刺激条件后使用该不良反应问卷，以提高两种刺激情况之间的可比性。有证据表明，假刺激引起的瘙痒感和刺痛感与主动刺激相当。

7. 代表性结果：

在正确设置的情况下，经颅直流电刺激（tDCS）设备应显示在主动tDCS状态下有电流通过，或在执行伪刺激程序时显示伪刺激模式（图10）。

需要注意的是，即使设备显示电流正在通过系统，电流仍可能实际经由皮肤分流。为避免这一现象，建议电极之间保持足够的距离。根据建模研究，当使用 5×7 cm 的电极时，我们建议电极间距至少为 8 cm¹⁷。

此外，建议参考计算机头部模型¹⁴和神经生理学研究。这些额外步骤将确保特定的电极布局与所研究区域皮层兴奋性的显著变化相关联。

阳极刺激的典型作用是增强脑兴奋性，而阴极刺激则导致皮层兴奋性降低。针对初级运动皮层的试验已提供了关于此效应的有力证据（图6）。

电极尺寸的变化会导致聚焦效应的变化。随着电极直径的减小，可实现更为聚焦的刺激。这一点可通过在运动皮层上使用经颅磁刺激（TMS）加以验证。相反，增大电极尺寸可能导致电极在功能上无效图8).

当单次刺激持续时间达到20分钟或更长，并在连续数天内进行多次刺激时，经颅直流电刺激（tDCS）的后续效应将持续更久。疼痛综合征的治疗即为此类实例。

一个重要的问题是参考电极的位置。如果选择颅外位置，研究者应注意电流分布情况，因为参考电极可能会偏移感应电流的峰值，并改变经颅直流电刺激（tDCS）的效果。

图 1. 材料

图2： 顶点位置。根据10/20系统标记的皮层区域。

图3：鼻根点与枕外隆突位置

图4： 运动皮层位置。皮层区域根据10/20系统进行标记。

图5：DLPFC位置。DLPFC=背外侧前额叶皮层。皮层区域根据10/20系统标记。

图 6： 不同电流极性和经颅直流电刺激（tDCS）电极布局对皮层兴奋性的影响。表格：通过经颅磁刺激（TMS）评估的经颅直流电刺激（tDCS）对运动诱发电位（MEP）大小的影响。刺激后的MEP振幅以无刺激时MEP的百分比表示。请注意，仅当采用运动皮层（M1）– 对侧眶上区（Fp2）电极布局时，阳极刺激后MEP大小显著增加，阴极刺激后MEP振幅显著降低。在其他tDCS电极布局下，MEP振幅无显著变化。示意图：电极放置位置⁶（改编自Nitsche 2000年研究）。

图7：电极尺寸

图8： 减小电极尺寸可使经颅直流电刺激（tDCS）产生更局灶性的效应。在阳极或阴极tDCS期间，小指展肌（ADM）和第一背侧骨间肌（FDI）的运动诱发电位（MEP）幅值大小。使用35 cm²电极条件时，阳极和阴极tDCS对ADM和FDI的MEP幅值影响程度相似。在此电极布局下，两个手部肌肉代表区均位于刺激电极下方。当使用更小的电极并仅放置于ADM代表区上方时，皮层FDI代表区的MEP幅值变化效应无法重现（见黄色柱状图）¹⁸（改编自Nitsche 2007年研究）。

图9： 不同组织中的电流密度分布。在不同组织中计算的电流密度。电流密度的大小取决于组织的导电性。请注意，约有10%的电流密度可到达灰质¹⁹（改编自Wagner 2007a）。

图10： 不同刺激条件：真实刺激与假刺激。一些经颅直流电刺激（tDCS）设备可提供真实刺激和假刺激的设置。通常通过光信号指示当前应用的刺激模式。

材料

TDCS device

9V Battery (2x)

两条橡胶头带

两个导电橡胶电极

两个海绵电极

导线

NaCl 溶液

卷尺

表1. 材料

阳极电极定位	阴极电极定位	观察结果	注意事项
初级运动皮层 (M1)	眶上区	这是最常用的电极配置。已有研究证明，皮层兴奋性可改变高达40%6（图6）。阳极刺激可导致神经元去极化并增强神经元兴奋性，而阴极刺激则产生相反效果6。	仅刺激一侧运动皮层——对于双侧性疼痛综合征可能存在局限性。此外，还需考虑眶上电极可能带来的混杂效应。
初级运动皮层 (M1)	初级运动皮层	- 当两侧运动皮层之间存在半球间失衡时（如中风后），此配置具有研究价值 - 可用于双阳极刺激方案（见第六行），例如将阴极电极置于眶上区域。	电极间距可能过近——存在电流分流问题。 减小电极面积会增加电流沿皮肤表面的分流程度19 因此，分流问题不仅与电极位置有关，也与电极尺寸相关。 组织的相对电阻取决于电极的位置和尺寸——电流流经的总电阻受电极特性的影响19。
背外侧前额叶皮层 (DLPFC)	眶上区	这是用于DLPFC刺激最常见的配置——在治疗抑郁症20和慢性疼痛3方面均显示出积极效果。	该配置仅能实现单侧DLPFC刺激。
背外侧前额叶皮层	背外侧前额叶皮层	- 当存在半球间失衡时，此配置具有研究价值。 - 可用于双阳极刺激方案（见第六行），例如将阴极电极置于眶上区域。	电极间距可能过近——存在电流分流问题19。（详见第二行第四列）
枕区	头顶区（顶点）	在慢性疼痛试验中作为有效的主动对照，或用于调节视觉皮层活动。	当用作主动对照时，参考电极置于不同位置——这会导致组内及组间实验方法之间的可比性问题。
两个阳极电极，例如双侧运动皮层	眶上区	可同时改变双侧皮层兴奋性	跨胼胝体抑制可能引入混杂因素21
一个电极置于皮层靶区，例如初级运动皮层 (M1)	颅外	避免脑内两个极性相反的电极带来的混杂效应7。	根据目标区域的不同，电流分布可能并非最优，从而导致刺激无效22

表2. 电极定位⁷

注意：不同电极位置之间的差异可能是由于电场方向不同而激活了不同的神经元群体所致。

讨论

关键步骤：

开始操作前需检查的事项：

• 首先，应筛查患者是否存在经颅直流电刺激（tDCS）的禁忌证——这些禁忌证可能因具体应用而异。包括是否存在严重或频繁的头痛、慢性皮肤病，或既往tDCS治疗的不良反应等问题。如果患者头部有金属植入物或曾有严重脑损伤，其解剖结构的改变可能影响电流分布^23,24。癫痫发作史、妊娠状态以及卒中病史通常不构成绝对禁忌证——事实上，在某些临床试验中，这些情况反而可能成为纳入标准。
• 检查头皮是否存在任何病灶；此外，应针对受试者是否患有皮肤病进行专门的访谈和检查。若存在病灶，应避免进行tDCS操作，或在适当情况下确保刺激电极不直接覆盖或跨越病灶区域。可考虑选择其他刺激部位。有报道称，部分患者在接受每日重复tDCS治疗后，电极下皮肤出现具有临床意义的刺激反应⁷。已有证据表明，tDCS可能因皮肤完整性受损而引发病灶。例如，有研究显示，在连续2周、每周5次、每次以2 mA强度进行tDCS刺激后，出现了广泛的红斑以及不规则圆形的褐色结痂性皮内改变²⁵。若强烈需要或必须实施tDCS，可考虑采用较低强度（如0.5–1.0 mA）进行刺激，但无法保证此类调整可完全避免皮肤刺激或病灶形成。因此，应在tDCS治疗前后检查电极下皮肤状况⁷。
• 检查电缆连接器是否存在电解现象。如发现异常，应更换另一对电缆。建议在使用约两个月后对电缆进行检查。

在进行主动或假性经颅直流电刺激（tDCS）期间，应始终询问受试者是否仍感觉舒适并能够继续进行操作。

可能的修饰：

• 电极放置位置有多种类型⁷ (表2).
• 电极尺寸有多种类型²⁶ (图7对于给定的施加电流，电极尺寸影响电流密度¹⁸ 并影响脑调控的聚焦性（图8）。临床研究表明，电极尺寸越小，电流密度越大²⁶然而，建模研究表明，电极尺寸与脑部调控区域之间的关系可能更为复杂²⁷此外，由于头皮对电流的分流效应存在差异，以及电极边缘效应相对于整体电极面积更为显著，小电极的作用可能在定性上有所不同。⁷小电极尺寸方案报告的分流水平远高于大电极方案¹⁹.
• 高清晰度经颅直流电刺激（HD-tDCS）是一种可提高空间聚焦性的技术，但需要特殊的硬件设备和操作控制。¹⁵.
• 电极布局（电极位置和大小）以及施加的电流共同决定了大脑中产生的电场强度，而电场强度又进一步决定了经颅直流电刺激（tDCS）的效果。有研究提出使用电极电流密度（即电流强度与电极面积的比值）来标准化临床结果——但建模研究表明，这种方法可能仅在有限范围内适用，整体的电极布局设计才是决定结果的关键因素。通常情况下，对于任何特定的电极布局，增加电流强度（或电流密度）都会产生更强的效应。需要特别注意的是，皮肤表面的电流密度远高于大脑内部的电流密度¹⁹ (图9).
• “返回”（“参考”）电极的位置可能影响电流在脑内的整体流动模式，从而甚至影响主动电极下方的脑调控效果²²因此，该部分的 两者 应考虑使用电极。
• 刺激持续时间取决于实验目的。延长刺激时间与后效应的出现及其持续时间延长相关。^3,4然而，至少有一项研究报道，当刺激持续时间增加时，效应方向出现反转，提示更强的刺激强度并不一定转化为更显著的临床效果。尽管在已发表参数范围内的tDCS被认为安全且耐受性良好，但随着刺激强度（时间、持续时间或重复频率/次数）的增加，产生不良副作用的风险也随之升高。
• 电场方向：由电极的位置和极性决定。阴极刺激通常降低皮层兴奋性，而阳极刺激通常增强皮层兴奋性^2,3.
• 安慰剂：对于假性tDCS，采用上述相同方案，但电流仅施加30秒。这是tDCS相较于其他非侵入性脑刺激方法的优势之一。由于主动tDCS引起的感知通常仅在刺激初期出现，这种假刺激方法使受试者难以区分安慰剂与主动tDCS的应用。这种初始且短暂的刺激是一种可靠的安慰剂方法。²⁸.
• 请注意，该技术也可应用于其他经颅电刺激疗法，如经颅交流电刺激（tACS）²⁹ 或 tRNS³⁰.

使用经颅直流电刺激治疗慢性疼痛的原理：

多种治疗性药理手段仅能为慢性疼痛患者提供有限的缓解，这一事实提示，这种致残性疾病持续存在的原因可能在于与疼痛相关的神经网络发生了可塑性改变。有趣的是，如前所述，可通过经颅直流电刺激（tDCS）非侵入性地调节皮层活动，已有报道称其通过改变皮层可塑性，在慢性疼痛中产生持久的治疗效果。

经颅直流电刺激在慢性疼痛中的临床效果：

已有研究表明，对运动皮层施加经颅直流电刺激（tDCS）可改变局部皮层兴奋性（图6）⁶。更准确地说，阳极刺激会提高神经元兴奋性，而阴极刺激则产生相反效果⁶。事实上，与假刺激相比，对M1区施加阳极tDCS可更显著地改善视觉模拟评分（VAS）中的疼痛评分。尽管这种在M1刺激后产生的镇痛效应是暂时的，但在多种神经病理性疼痛综合征患者群体中已得到重复验证，例如三叉神经痛、卒中后疼痛综合征³¹、背痛和纤维肌痛³²。有趣的是，在因脊髓损伤引起的神经病理性疼痛的临床试验中，通过tDCS对运动皮层进行刺激显示出疼痛改善以及持续两周的累积性镇痛效应。此外，也有证据表明tDCS对纤维肌痛患者具有镇痛作用³³，在接受M1区阳极tDCS治疗后，随访三周时其效果仍显著优于假刺激，对DLPFC的刺激亦表现出类似效果³³。尽管阳极tDCS作用于DLPFC在缓解疼痛方面的效应尚未被充分研究，但已有研究显示其可用于调节健康受试者的疼痛阈值³⁴。然而，对该脑区的刺激已被证实是一种可靠的技术，可用于增强工作记忆¹⁰，提高阿尔茨海默病患者在记忆任务中的表现⁹，并显著降低由提示诱发的吸烟渴求³⁵；因此，该方法也可能成为调节慢性疼痛患者与疼痛处理相关的情感-情绪认知网络的有效策略。