非侵入性神經調控技術，如經顱磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulation, TMS）和低強度聚焦超聲（Low-Intensity Focused Ultrasound, LIFU），已成為神經科學與臨床應用的關鍵工具。它們能夠便捷地調節大腦活動，無需手術且副作用小。然而，這兩種技術使用不同類型（電磁能與聲波）的能量，其作用機制和引發的能量場特性截然不同。一個核心的理論與實踐差異在于它們的精度和聚焦度。TMS誘發的電場傾向于在較大的皮層表面彌散，刺激多個相鄰的腦回和腦溝，其分布受線圈定位、個體頭部解剖結構和組織電導特性影響。而LIFU能夠以毫米級的空間精度沉積能量，實現對特定皮層或皮層下區域的高精度靶向。但是，超聲波與顱骨及周圍組織的相互作用會引入顯著的變異性，導致個體間潛在的焦點和深度穿透畸變。背外側前額葉皮層（Dorsolateral Prefrontal Cortex, DLPFC）作為執行網絡的一部分，是神經調控中廣泛使用的治療靶點，其解剖亞結構（如中額回和中額溝）對刺激的生物物理反應可能不同。理解TMS和LIFU如何在中額回（_MFGyr）和中額溝（_MFSulc）內分布能量，對于優化刺激范式至關重要，因為既往研究表明腦溝和腦回的參與可能影響功能結果和治療效果。此前，這兩種模態能量分布差異的程度尚未得到全面量化。

這項研究旨在量化比較TMS和LIFU在DLPFC內的能量分布，重點關注它們在不同能量閾值下對_MFGyr和_MFSulc的激活情況。研究論文發表在《Neuromodulation: Technology at the Neural Interface》。

本研究主要運用了以下幾項關鍵技術方法：首先，研究納入了20名患有抗藥性重性抑郁障礙（MDD）的參與者作為樣本隊列，采集其高分辨率T1和T2加權磁共振成像（MRI）數據。其次，利用simNIBS軟件中的CHARM流程為每位受試者構建了個體化頭部模型，并基于FreeSurfer軟件和Destrieux圖譜對大腦皮層進行分區，特別提取了左DLPFC區域的_MFGyr和_MFSulc作為分析目標。接著，研究人員設定了位于左DLPFC的共同標準化靶點坐標，并使用simNIBS軟件模擬了TMS誘導的電場，使用BabelBrain軟件模擬了250 kHz和500 kHz兩種頻率LIFU的聲場。最后，通過設定30%、50%和70%三個相對峰值能量的閾值，量化了能量分布，并計算了“% Engaged”（區域被激活體積的百分比）和“% Deposited”（總激活組織中位于特定區域的百分比）兩個關鍵指標。

在所有閾值下，三種刺激模態之間存在清晰且一致的差異。統計分析顯示模態和閾值均有顯著效應。在每個閾值下，TMS激活的組織平均體積比LIFU-250 kHz大十倍以上，比LIFU-500 kHz大百倍以上。變異性也遵循一致的模式：TMS變異系數（CV）最低，LIFU-250 kHz具有中等變異性，而LIFU-500 kHz變異性最大。

在不同模態和區域之間觀察到巨大差異。統計分析顯示模態、閾值和區域均有顯著效應。在所有閾值下，TMS激活的_MFGyr和_MFSulc百分比最大，LIFU-250 kHz激活的百分比低得多，LIFU-500 kHz激活的百分比最低。同樣，TMS在_MFGyr中的變異性最小，而LIFU-500 kHz在_MFSulc中的變異性最大。

在能量沉積到_MFGyr和_MFSulc方面存在巨大差異。統計分析顯示模態、閾值和區域均有顯著效應。TMS始終將其激活組織的較大部分沉積在_MFGyr中，而在_MFSulc中沉積的比例很小。LIFU-250 kHz在腦回中沉積的能量比例顯著高于LIFU-500 kHz。TMS在_MFGyr中的變異性最低，在_MFSulc中較高。LIFU表現出更大的變異性，特別是在500 kHz頻率下的_MFSulc中。

本研究定量揭示了TMS和LIFU能量傳遞的差異，展現了一種聚焦度與對解剖結構傳遞敏感性之間的權衡。TMS顯示出更彌散的能量傳遞特性，源于電場通過容積傳導的傳播及其在腦回冠部的積累。相比之下，LIFU產生了高度聚焦的能量沉積，局限在更小的體積內。通過納入兩種超聲頻率，研究進一步表明，將基頻從500 kHz降低到250 kHz可以顯著擴大被激活組織的體積，同時保持高度的聚焦性，使250 kHz在空間擴散和變異性方面介于TMS和500 kHz之間。

在50%閾值下，TMS平均激活了15,117 mm³的皮層組織，而LIFU-250 kHz激活了1496 mm³，LIFU-500 kHz僅激活了137 mm³。這些發現強化了以下觀點：TMS產生跨越大面積皮層的廣泛神經調控；LIFU-500 kHz提供高度聚焦的神經調控；而LIFU-250 kHz則提供了介于兩者之間的中等聚焦水平。

TMS觀察到對腦回和腦溝區域更大的激活，在50%閾值下，TMS激活了59%的_MFGyr和29%的_MFSulc，而LIFU-250 kHz僅激活了3%的_MFGyr和8%的_MFSulc，LIFU-500 kHz對任一結構的激活都小于1%。這主要是絕對場尺寸的結果。此外，研究結果顯示了兩者不同的區域偏好。TMS持續地將其大部分激活組織沉積在_MFGyr中，而在_MFSulc中只占一小部分。相反，LIFU將其能量更均勻地分配在_MFGyr和_MFSulc之間。這些發現有兩個關鍵含義：首先，它們表明即使瞄準相同的DLPFC坐標，TMS和LIFU也靶向了不同的解剖亞區。TMS主要激活腦回冠部，而LIFU在其小焦點區域內將相對較大比例的能量分配給了腦溝組織。其次，它們提示用TMS和LIFU“擊中同一靶點”并不一定意味著激活相同的神經元群體。

個體間變異性在決定非侵入性腦刺激技術的有效性和可靠性方面起著關鍵作用，TMS和LIFU表現出不同的變異性模式。在不同的指標中，TMS顯示出相對較低的變異系數，表明其誘導的場在個體間具有一致性。相比之下，LIFU表現出顯著更高的變異性，尤其是在_MFSulc和500 kHz頻率下。LIFU-250 kHz傾向于表現出中等變異性：高于TMS但低于LIFU-500 kHz。這種高變異性不應被解釋為腦溝解剖結構“移動”或“引導”了波束。相反，腦溝-腦回的變異性應被視為決定固定波束軌跡將與哪些皮層組織相交的一個因素。如圖6所示，同一波束可能主要靶向一個受試者的腦回冠部、另一個受試者的側壁或第三個受試者的腦溝底，這取決于靶點周圍特定的皮層折疊模式。相比之下，TMS更寬的電場覆蓋了更大的皮層區域，使得靶點激活受皮層折疊的適度變化影響較小。這些觀察結果強化了在LIFU應用中需要個體化靶向策略的必要性。

TMS和LIFU可能通過神經元暴露于能量但不立即導致神經元放電的機制來影響神經活動。這些考慮強調了評估“被激活”組織的總體積的重要性，而不僅僅是依賴于激活閾值。

本研究的結果對于根據刺激目標和解剖學考慮選擇神經調控技術和參數具有重要意義。對于需要廣泛皮層參與的應用，例如傳統的左DLPFC TMS治療抑郁癥，TMS誘導場的廣泛且相對穩健的分布可能是有利的。同樣，更大的刺激覆蓋范圍和更低的變異性降低了錯過目標區域的風險。對于需要更高空間精度的應用，例如靶向DLPFC的特定功能亞區或刺激深部皮層結構，LIFU可能提供顯著優勢。我們的頻率比較表明，對于淺表皮層靶點，250 kHz的LIFU可能在聚焦度、覆蓋范圍和變異性之間提供了一個實用的折衷方案。

盡管本研究定量比較了TMS和LIFU的能量分布，但仍有幾個局限性需要考慮。首先，研究結果基于計算模擬，未來研究應納入經驗驗證方法。其次，研究集中于DLPFC這一單一標準化刺激位點，未來研究應探討其他常見靶向腦區的趨勢是否一致。第三，替代性超聲設備可能能夠提供更大的皮層覆蓋或不同的空間分布，因此，這里觀察到的有限覆蓋不應被解釋為LIFU作為一種模態的根本限制。

本研究定量比較了靶向DLPFC時，TMS和兩種基頻LIFU在能量分布、聚焦度和皮層激活方面的差異。通過利用基于MRI的計算建模，我們量化了每種模態產生的被激活組織的體積和分布，重點關注它們對腦回和腦溝結構的不同激活。我們的結果揭示了TMS和LIFU在空間精度、總皮層激活和個體間變異性方面的根本差異，突顯了其對非侵入性神經調控臨床和研究應用的重要意義。