一种基于内侧隔核-海马-丘脑-皮层环路的记忆编码及巩固的经颅磁声刺激调控系统及方法

本发明涉及神经调控，尤其涉及一种基于内侧隔核-海马-丘脑-皮层环路的记忆编码及巩固的经颅磁声刺激调控系统及方法。

背景技术：

1、记忆障碍是一种慢性非传染性脑部疾病。根据世界卫生组织发布的数据，目前全球超过 5500万人患有痴呆症，且患者数量正以每年新发近 1000 万例的速度持续增长。记忆障碍是阿尔茨海默病、血管性痴呆、创伤性脑损伤等神经系统疾病的共性特征，其本质是记忆编码、巩固、存储或提取过程的神经环路异常。当前治疗手段（如胆碱酯酶抑制剂）仅能缓解症状，无法逆转神经退行性病变。

2、记忆编码与记忆巩固是大脑将短暂经验转化为持久记忆的两个核心且连续的过程：记忆编码依赖海马theta节律的精确调控，将新信息转化为可被大脑识别的神经信号；而记忆巩固则依赖非theta态（主要由δ慢波、海马尖波涟漪及丘脑-皮层睡眠spindle构成），将这些信号从海马转移至皮层实现长期存储。

3、近年研究发现，靶向神经振荡的调控技术（如经颅磁声刺激）可通过增强跨频同步性部分恢复记忆功能，但现有技术存在两大瓶颈：一是对记忆编码与巩固的动态关联机制解析不足，多数策略仅关注单一阶段，缺乏对全流程的系统调控；二是个体异质性制约其疗效，临床神经调控策略大多依赖“金标准”，难以建立刺激方案参数与个体疗效之间的明确关联，磁声刺激参数的个体差异敏感性、长期干预的神经可塑性影响尚未明确。因此，设计能够覆盖记忆编码与全巩固周期的个性化优化刺激方案，成为神经科学和临床医学的共同挑战。

4、因此，有必要研究一种基于内侧隔核-海马-丘脑-皮层环路的记忆编码及巩固的经颅磁声刺激调控系统及方法来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种基于内侧隔核-海马-丘脑-皮层环路的记忆编码及巩固的经颅磁声刺激调控系统及方法，通过构建包含记忆编码与记忆巩固过程的完整环路模型，集成磁声双靶点靶向刺激方案，并设计记忆巩固效果量化模块对刺激方案效果进行可视化评估，从而解决当前临床针对记忆编码与巩固全流程刺激方案疗效不佳的问题，可广泛应用于健康人群的记忆增强管理和记忆障碍患者的临床诊疗。

2、一方面，本发明提供一种基于内侧隔核-海马-丘脑-皮层环路的记忆编码及巩固的经颅磁声刺激调控系统，包括shtc模型构建模块、经颅磁声刺激调控模块和记忆巩固效果量化模块；

3、所述shtc模型构建模块用于构建包含胆碱能神经元、谷氨酸能神经元与gaba能神经元的异质性内侧隔核网络，并将所述异质性内侧隔核网络融入海马-丘脑-皮层环路，形成shtc环路网络模型；

4、所述shtc模型构建模块通过调节内侧隔核环路关键参数，使海马网络在theta态与非theta态之间转化，所述theta态对应记忆编码状态，所述非theta态对应记忆巩固状态；

5、所述经颅磁声刺激调控模块包含tms单元和tus单元，所述tms单元靶向皮层施加电压偏移项，所述tus单元靶向内侧隔核引入机械敏感电流项，所述经颅磁声刺激调控模块以海马ca1区锥体神经元膜电位信号为核心调控依据，实现双靶点协同刺激；

6、所述记忆巩固效果量化模块用于对记忆巩固效果进行量化评估，量化指标包括ripple数量及持续时间、spindle数量及振幅及持续时间、so数量、theta 评分、共同发生百分比、同步指数si值和相位锁定值plv值。

7、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述shtc模型构建模块中，ca1区与ca3区的抑制-兴奋突触强度根据内侧隔核gaba能神经元平均放电率动态调整；内侧隔核对海马和皮层的调节参数根据ca1区膜电位的theta频段功率与delta频段功率之比值动态调整。

8、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述tms单元施加的电压偏移项s(t)满足s(t)=astim·sin(2πfstim·t)，其中astim为刺激振幅，fstim为刺激频率；所述astim的取值范围为0至100mv，所述fstim的覆盖范围为1至100hz。

9、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述tus单元引入的机械敏感电流项itus(t)满足

10、itus(t)=a·g·sin(2πfmod·t)·sin(2πfus·t)·p(t)，其中a为刺激振幅，g为聚焦增益系数，fmod为调制频率，fus为超声载波频率，p(t)为脉冲窗函数；所述a的取值范围为0.1至1.0mv，所述fmod选取4至12hz的theta节律区间，所述g的取值范围为1.2至2.0。

11、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述脉冲窗函数p(t)为二值函数，脉冲宽度为100至300μs，脉冲重复周期为5至15ms，占空比小于50%。

12、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述记忆巩固效果量化模块中，spindle的检测通过对ca1区锥体神经元膜电位信号进行12至16hz带通滤波后经希尔伯特变换提取瞬时振幅、再经300ms高斯窗平滑后依据振幅阈值判定实现；ripple的检测通过对所述膜电位信号进行100至250hz带通滤波后计算均方根、再经50ms高斯窗平滑后依据功率阈值判定实现；so的检测通过对所述膜电位信号进行0.5至2hz带通滤波后依据正负过零点时间间隔判定实现。

13、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述theta评分基于ca1区锥体神经元膜电位信号，通过三阶零相位延迟巴特沃斯带通滤波器分别提取theta频段分量与delta频段分量，计算两者平均功率之比值得到。

14、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述共同发生百分比包括so-ripple共现百分比、so-spindle共现百分比和spindle-ripple共现百分比；

15、所述so-ripple共现的判定条件为在ripple峰值时刻前后±0.5s内存在so峰值；

16、所述so-spindle共现的判定条件为在spindle峰值时刻前后±1.5s内存在so峰值；

17、所述spindle-ripple共现采用双向判定逻辑，即spindle峰值时刻前后指定时间窗内存在ripple峰值，或ripple峰值时刻前后指定时间窗内存在spindle峰值，满足其一即判定共现。

18、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述同步指数si值通过希尔伯特变换分别提取低频振荡的瞬时相位与高频振荡功率波动的瞬时相位，计算两者相位差的复指数均值的模值得到。

19、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种基于内侧隔核-海马-丘脑-皮层环路的记忆编码及巩固的经颅磁声刺激调控方法，通过所述的经颅磁声刺激调控系统，所述方法包括以下步骤：

20、步骤1、构建shtc环路网络模型，通过调节内侧隔核环路关键参数使海马网络在theta态与非theta态之间转化，分别对应记忆编码与记忆巩固；

21、步骤2、基于所述shtc环路网络模型，以ca1区锥体神经元膜电位信号为核心调控依据，通过tms单元靶向皮层施加电压偏移项、tus单元靶向内侧隔核引入机械敏感电流项，实施双靶点协同刺激；

22、步骤3、对经所述双靶点协同刺激后的shtc环路网络模型的输出信号进行量化分析，依据ripple数量及持续时间、spindle数量及振幅及持续时间、so数量、theta 评分、共同发生百分比、同步指数si值和相位锁定值plv值评估记忆巩固效果。

23、与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：

24、1、通过构建包含胆碱能、谷氨酸能、gaba能神经元的异质性内侧隔核网络，并将其融入海马-丘脑-皮层环路形成完整的shtc闭环网络模型，实现了海马theta态与非theta态的动态转化模拟，覆盖了记忆编码与记忆巩固的完整生理过程。这一设计解决了现有技术仅关注单一阶段、缺乏对全流程系统调控的技术问题，为双靶点刺激方案的优化提供了仿真基础；

25、2、通过tms单元靶向皮层施加电压偏移项、tus单元靶向内侧隔核引入机械敏感电流项的双靶点协同刺激策略，以海马ca1区锥体神经元膜电位信号为核心调控依据，实现了对皮层与内侧隔核的精准调控。tms通过电压偏移等效模拟感应电场改变皮层神经元膜电位，tus通过机械敏感电流等效模拟聚焦超声激活离子通道，两者协同作用实现了对记忆编码与巩固全流程的系统调控，克服了现有技术单靶点刺激效果有限的缺陷；

26、3、通过嵌入覆盖theta态编码质量与非theta态巩固效率的多维量化体系，包括ripple、spindle、so的数量/持续时间/振幅、theta 评分、共同发生百分比、si值、plv值共七类指标，从状态频谱转换、相位耦合、共现概率及单节律特征层面全面量化shtc网络动态协同效率，建立了刺激参数与疗效的明确关联。这一设计解决了现有技术刺激参数与个体疗效关联不明确的技术问题，为记忆巩固效能的定量评估与精准调控提供了可视化评估工具；

27、4、通过引入ca1、ca3区抑制-兴奋突触强度动态调节函数与内侧隔核对海马/皮层的调节参数函数，根据内侧隔核gaba能神经元平均放电率与ca1膜电位theta/delta功率比值动态调整突触强度与连接系数，精准模拟了gaba能神经元驱动海马theta振荡的生理机制，实现了内侧隔核对海马theta态与非theta态转化的动态调控，提高了模型对长时程神经活动的仿真精度。

28、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。