關(guān)鍵腦區(qū)與疲勞調(diào)控

前額葉皮層是疲勞調(diào)控的核心區(qū)域。通過孟德爾隨機(jī)化分析發(fā)現(xiàn)，右側(cè)外側(cè)眶額葉、左/右尾中額葉和右側(cè)吻側(cè)中額葉的灰質(zhì)體積與疲勞風(fēng)險顯著負(fù)相關(guān)。體積較大的個體在警覺性任務(wù)中表現(xiàn)更優(yōu)，表明這些區(qū)域通過調(diào)節(jié)注意力和情緒降低疲勞感。

四個腦區(qū)與發(fā)生疲勞的風(fēng)險顯著呈負(fù)相關(guān)

此外，前扣帶回皮層（ACC）整合獎勵價值與能量消耗信息，決定是否繼續(xù)任務(wù)，當(dāng)能量成本超過預(yù)期獎勵時，ACC活動減弱，觸發(fā)疲勞信號。

獎賞價值和厭惡價值進(jìn)行編碼后傳遞到前扣帶回皮質(zhì)（ACC）

伏隔核（NAc）和眶額葉皮層（OFC）也參與疲勞機(jī)制。伏隔核通過多巴胺信號調(diào)節(jié)動機(jī)強(qiáng)度，而OFC評估任務(wù)獎勵與風(fēng)險。動物實驗顯示，NAc多巴胺耗竭會減少高努力選項的選擇，說明其直接關(guān)聯(lián)努力決策。

基因調(diào)控與氧化應(yīng)激

通過基因共定位分析，發(fā)現(xiàn)ECE2、GPX1和SNF8在額葉皮層中與疲勞顯著相關(guān)。大鼠實驗顯示，中樞疲勞大鼠模型行為測試表現(xiàn)出學(xué)習(xí)記憶下降等癥狀，以及中樞疲勞大鼠模型額葉皮質(zhì)中這些基因的mRNA水平顯著升高。

ECE2：與神經(jīng)退行性疾病相關(guān)，可能通過調(diào)節(jié)β-淀粉樣蛋白代謝影響疲勞。

GPX1：作為抗氧化酶，在氧化應(yīng)激狀態(tài)下表達(dá)增加，清除自由基以維持神經(jīng)元功能。

SNF8：參與自噬功能，突變可能導(dǎo)致能量代謝異常。

中樞疲勞大鼠模型額葉皮質(zhì)中Snf8、Gpx1和Ece2相對表達(dá)水平顯著升高

能量成本與獎勵評估系統(tǒng)

疲勞源于能量消耗與獎勵的失衡。腦島監(jiān)測生理狀態(tài)（如血糖水平），ACC整合腦島、OFC和杏仁核的信息，判斷是否繼續(xù)投入能量。當(dāng)能量成本超過獎勵時，多巴胺活性下降，動機(jī)減弱，引發(fā)主觀疲勞感。例如，長時間工作后，OFC對獎勵的估值降低，而腦島信號增強(qiáng)，最終ACC判定“不值得努力”，則產(chǎn)生疲勞感。

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tDCS緩解疲勞的神經(jīng)機(jī)制

靶向調(diào)節(jié)前額葉皮層

tDCS通過陽極刺激背外側(cè)前額葉（DLPFC，F(xiàn)3區(qū)域），增強(qiáng)神經(jīng)元興奮性。2 mA電流持續(xù)30分鐘可提升警覺性任務(wù)表現(xiàn)，效果持續(xù)6小時以上。其原理包括：

抑制腺苷積累：疲勞時腦內(nèi)腺苷水平升高，阻斷多巴胺釋放。tDCS可能通過調(diào)節(jié)腺苷A1受體，減少其抑制作用。

增強(qiáng)多巴胺傳遞：刺激DLPFC間接激活中腦多巴胺通路，提升伏隔核和ACC的多巴胺水平，增強(qiáng)動機(jī)。

神經(jīng)可塑性與持續(xù)效應(yīng)

tDCS的長期效果（>6小時）源于突觸可塑性變化，類似長時程增強(qiáng)（LTP）。30分鐘刺激可誘導(dǎo)膠質(zhì)細(xì)胞釋放神經(jīng)遞質(zhì)，維持神經(jīng)元興奮性。此外，tDCS改善資源理論相關(guān)的認(rèn)知資源損耗，而非僅提升覺醒水平，因此對抗疲勞效果更顯著。

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臨床研究驗證:tDCS vs咖啡因

研究方法

實驗研究對象為30名軍人，分為三組：

tDCS組：30分鐘2 mA陽極刺激+安慰劑口香糖。

咖啡因組：200 mg咖啡因口香糖+假刺激。

對照組：假刺激+安慰劑。

實驗在30小時持續(xù)清醒后進(jìn)行，在04:00接受不同處理（tDCS +安慰劑口香糖、假tDCS +安慰劑口香糖、咖啡因口香糖+假tDCS），期間定時進(jìn)行任務(wù)和問卷評估（評估警覺性、工作記憶和主觀疲勞）。

研究結(jié)果

警覺性任務(wù)（Mackworth時鐘測試）：tDCS組準(zhǔn)確性顯著高于假刺激組和咖啡因組，且在04:00、08:00表現(xiàn)更優(yōu)。

工作記憶任務(wù)（DMS）：咖啡因組和tDCS組反應(yīng)時均優(yōu)于假刺激組，但組間差異不顯著，且對分?jǐn)?shù)/準(zhǔn)確性無明顯影響。

心理運動任務(wù)（PVT）：咖啡因組和tDCS組平均反應(yīng)時均優(yōu)于假刺激組，組間無顯著差異，對其他心理運動指標(biāo)無影響。

主觀疲勞問卷：tDCS組在困倦、精力等方面主觀感受優(yōu)于假刺激組，在疲勞、綜合情緒等方面也有優(yōu)勢，且tDCS組準(zhǔn)確性變化與主觀情緒無關(guān)，而咖啡因組和假刺激組相關(guān)。

各性能任務(wù)相對于凌晨2點（基線）的平均變化情況

疲勞主觀測量值相對于凌晨2點（基線）的平均變化情況

副作用與適用性

tDCS組僅報告輕微頭皮刺痛，而咖啡因可能引發(fā)焦慮和心率升高。長期使用咖啡因效果遞減，而tDCS無耐受性報告。

研究結(jié)論

tDCS在提高警覺性方面比咖啡因更有效，效果持續(xù)至少6小時，且能改善情緒，減少疲勞和困倦感。兩者對工作記憶和心理運動表現(xiàn)的影響相似。tDCS或可作為抗疲勞的有效替代方法，但長期使用效果和更高劑量的影響有待進(jìn)一步研究。

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tDCS治療參數(shù)

電極位置示意圖

安全性與禁忌癥：癲癇史、顱內(nèi)金屬植入物、皮膚損傷。

總結(jié)

tDCS通過靶向前額葉皮層，調(diào)節(jié)多巴胺和腺苷系統(tǒng)，顯著改善警覺性和主觀疲勞感，且效果持久。結(jié)合基因研究發(fā)現(xiàn)，未來可針對ECE2、GPX1等靶點開發(fā)個性化干預(yù)方案。這一方案為軍事、醫(yī)療等高疲勞風(fēng)險職業(yè)提供了新的應(yīng)對策略。

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回映產(chǎn)品

1.便攜式HD-tES

回映便攜式高精度經(jīng)顱電刺激儀(HD-tES)創(chuàng)新地采用type-C轉(zhuǎn)生物電極的設(shè)計使得產(chǎn)品能夠非常便捷地被使用。回映便攜式高精度經(jīng)顱電刺激儀(HD-tES)通過多電極配置(1個中心電極和4個返回電極)實現(xiàn)高精度電流聚焦,精準(zhǔn)刺激目標(biāo)腦區(qū)。其核心優(yōu)勢在于通過縮小電極尺寸(直徑12mm的環(huán)形電極)和增加電極數(shù)量,顯著提升刺激的聚焦性和精準(zhǔn)性。

HD-tDCS模式：調(diào)節(jié)皮層興奮性,適用于中風(fēng)康復(fù)、抑郁癥干預(yù)等。

HD-tACS模式：精準(zhǔn)鎖定腦電頻段(如β-γ頻段改善強(qiáng)迫癥,4Hz增強(qiáng)工作記憶)適配認(rèn)知障礙治療等。

HD-tRNS模式：HD-tRNS 對顯式和隱式計時任務(wù)的影響不同,用于研究大腦的計時機(jī)制和時間處理能力等。
適用范圍:神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療，意識障礙和認(rèn)知功能調(diào)節(jié)，康復(fù)治療，運動和認(rèn)知功能恢復(fù)。

回映自研type-C轉(zhuǎn)生物電極示意圖

基本參數(shù)

刺激強(qiáng)度：-2mA~2mA 連續(xù)可調(diào)，調(diào)節(jié)分辨率0.01mA，輸出電流誤差 <=±10%；

刺激時間：0~60min 可調(diào)；

刺激頻率：針對于 tPCS/tACS 模式，1Hz ～ 99Hz范圍內(nèi)可調(diào)，頻率步進(jìn)1Hz， 輸出頻率誤差<=±5%；

淡入淡出時間：0~120s 可調(diào)，確保刺激的安全性；

脫落檢測：通過實時阻抗檢測分析電極脫落狀態(tài)確保刺激有效性；

相位同步：<=±2.5us; <=0.09°；

2.手持式tES

經(jīng)顱電刺激調(diào)控設(shè)備采用低強(qiáng)度的電流（±2mA以內(nèi))對大腦皮層的靶區(qū)域進(jìn)行刺激，進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)大腦皮層神經(jīng)元興奮性、調(diào)節(jié)腦電波節(jié)律、促進(jìn)神經(jīng)重塑和修復(fù)、改善腦部供血等。

經(jīng)顱直流電刺激(tDCS)：治療精神分裂癥、抑郁癥、物質(zhì)成癮、阿爾茨海默病、腦卒中后的運動功能障礙、語言障礙、認(rèn)知障礙等

經(jīng)顱交流電刺激(tACS )：治療視功能障礙、認(rèn)知障礙,提高學(xué)習(xí)能力、工作記憶等

經(jīng)顱脈沖電刺激(tPCS)：增強(qiáng)運動技能,緩解疲勞,促進(jìn)知覺學(xué)習(xí)任務(wù)、算術(shù)任務(wù)，調(diào)節(jié)注意力切換任務(wù)的準(zhǔn)確性,改善帕金森病患者的步態(tài)平衡等

經(jīng)顱隨機(jī)噪聲刺激(tRNS)：治療耳鳴,提高工作記憶、認(rèn)知能力等

適應(yīng)癥：焦慮、抑郁、失眠、癲癇、強(qiáng)迫癥、注意缺陷多動障礙、鞏固記憶、運動控制等。

回映便攜式tES設(shè)備示意圖

基本參數(shù)

刺激強(qiáng)度：10mA~30mA 連續(xù)可調(diào)，調(diào)節(jié)分辨率0.01mA，輸出電流誤差<=±10%

刺激頻率:1Hz~99Hz 范圍內(nèi)可調(diào)，頻率步進(jìn)為 1Hz，輸出頻率誤差 <=±5%

載波頻率:2KHz~100KHz 范圍內(nèi)可調(diào)，頻率步進(jìn)為 1KHz，輸出頻率誤差 <=±1%

刺激時間：0~60min可調(diào)

淡入淡出時間：0~120s 可調(diào)，確保刺激的安全性

脫落檢測:通過實時阻抗檢測分析電極脫落狀態(tài)確保刺激有效性

參考文獻(xiàn)

1.Mapping fatigue: discovering brain regions and genes linked to fatigue susceptibility（作者Yifei Zhang, Zehan Zhang, Qingqian Yu, Yutong Jiang, Chenyu Fei, Fengzhi Wu and Feng Li）

2.Mental fatigue: Costs and benefits（Maarten A.S. Boksem,b,d,, Mattie Topse）

3.A Comparison of the Effects of Transcranial Direct Current Stimulation and Caffeine on Vigilance and Cognitive Performance During Extended Wakefulness（Lindsey K. McIntire a, R. Andy McKinley b, Chuck Goodyear a, Justin Nelson a）