經顱直流電刺激（tDCS）作為一種非侵入性腦刺激技術，近年來在神經科學研究和臨床應用中備受關注。本文綜述了tDCS對青少年、老年人以及精神疾病患者的生物學影響，重點探討了其在不同人群中的電流分布特點、神經生理效應以及潛在的臨床應用價值。通過對相關研究的分析，揭示了tDCS在調節大腦功能、改善認知和情緒障礙方面的潛力，并強調了個體化刺激參數的重要性。

一、引言

tDCS通過在頭皮放置電極施加低強度直流電，能夠調節大腦皮質的興奮性。其效果具有極性依賴性，陽極刺激通常增強神經元興奮性，而陰極刺激則起到抑制作用。tDCS的生物學機制涉及神經元膜電位的改變、神經遞質釋放的調節以及神經可塑性的變化。隨著研究的深入，tDCS在多種神經系統疾病和精神疾病治療中的應用前景逐漸顯現。

二、tDCS對青少年的生物學影響

（一）大腦發育與tDCS效應

青少年時期大腦處于快速發育階段，神經可塑性強。研究表明，tDCS對青少年大腦的興奮性調節作用可能更為顯著。例如，在運動皮質的研究中發現，青少年對tDCS誘導的神經可塑性變化更為敏感，表現為運動誘發電位（MEP）幅度的增加更為明顯。

（二）認知功能的調節

tDCS能夠改善青少年的認知功能，如注意力、記憶力和執行功能。一項針對健康青少年的研究顯示，陽極tDCS刺激背外側前額葉皮層（DLPFC）可以顯著提高工作記憶任務的正確率和反應速度。這可能與tDCS增強大腦前額葉區域的神經活動，促進神經網絡的高效連接有關。

（三）情緒調節與心理健康

青少年時期是情緒調節能力發展的重要階段。tDCS對情緒相關腦區（如前扣帶回、杏仁核）的調節作用可能有助于改善青少年的情緒狀態。研究發現，tDCS刺激DLPFC能夠減少青少年的焦慮和抑郁癥狀，可能通過調節神經遞質（如血清素、多巴胺）的釋放實現。

三、tDCS對老年人的生物學影響

（一）腦萎縮與電流分布變化

隨著年齡增長，大腦出現萎縮現象，腦脊液（CSF）體積增加，灰質（GM）和白質（WM）體積減少。這些解剖結構的變化會影響tDCS電流在大腦中的分布。研究表明，老年人在接收tDCS刺激時，電流更容易集中在腦萎縮區域，導致目標腦區的電流密度降低。然而，女性老年人在某些腦區（如下壁葉IPL和額中回MFG）接收到的模擬tDCS電流可能高于男性老年人，這與性別相關的腦萎縮模式差異有關。

（二）認知功能的改善

tDCS在改善老年人認知衰退方面展現出潛力。刺激DLPFC和頂葉皮層可以提高老年人的工作記憶、注意力和執行功能。例如，一項研究發現，經過多次陽極tDCS刺激DLPFC后，老年人在 episodic memory 任務中的表現顯著提升。這可能與tDCS增強大腦神經可塑性，促進神經網絡的重塑有關。

（三）神經保護作用

tDCS可能對老年人大腦具有神經保護作用。動物實驗表明，長期tDCS刺激可以增加大腦中神經營養因子（如BDNF）的表達，促進神經細胞的生存和再生。此外，tDCS還可能通過調節炎癥反應和氧化應激水平，減緩大腦衰老過程。

四、tDCS對精神疾病患者的生物學影響

（一）抑郁癥

抑郁癥患者常表現出前額葉皮層功能低下和杏仁核活動過度。tDCS刺激DLPFC能夠調節這些腦區的活動，改善抑郁癥狀。多項研究表明，陽極tDCS刺激左側DLPFC combined with陰極刺激右側DLPFC可以顯著降低抑郁患者的 Hamilton 抑郁量表（HAMD）得分。其機制可能與增加前額葉皮層的谷氨酸能神經傳遞、調節血清素系統功能以及促進神經可塑性修復有關。

（二）精神分裂癥

精神分裂癥患者的認知功能和社會功能往往受到嚴重影響。tDCS在改善精神分裂癥患者的認知缺損方面顯示出一定的效果。例如，刺激DLPFC可以提高患者的詞語記憶和工作記憶能力。此外，tDCS還可能通過調節多巴胺系統的活動，減輕精神病性癥狀，如幻覺和妄想。

（三）焦慮障礙

對于焦慮障礙患者，tDCS能夠調節大腦的情緒處理網絡，降低焦慮水平。研究發現，刺激眶額葉皮層（OFC）和前扣帶回皮層（ACC）可以減少焦慮患者的主觀焦慮體驗和生理焦慮反應。這可能與tDCS調節杏仁核與前額葉皮層之間的功能連接，增強大腦對情緒信息的調控能力有關。

五、個體化刺激參數的重要性

由于不同個體在年齡、性別、大腦解剖結構等方面存在差異，tDCS的生物學效應也具有顯著的個體變異性。因此，制定個體化的刺激參數至關重要。例如，對于老年人和女性患者，可能需要適當增加刺激強度或調整電極放置位置，以確保達到足夠的電流密度。同時，考慮到個體的神經生理狀態（如腦電活動、神經遞質水平），可以進一步優化tDCS的刺激方案，提高治療效果并減少不良反應。

六、結論

tDCS作為一種非侵入性腦刺激技術，在調節青少年、老年人以及精神疾病患者的大腦功能方面展現出良好的應用前景。通過影響大腦的神經可塑性、神經遞質系統和神經網絡活動，tDCS能夠改善認知功能、情緒狀態和臨床癥狀。然而，為了更好地發揮tDCS的治療作用，未來的研究需要進一步深入探討其生物學機制，優化刺激參數，并結合個體化的評估方法，為不同人群提供精準的治療方案

參考資料

Sex Difference in tDCS Current Mediated by Changes in CorticalAnatomy: A Study across Young, Middle and Older adults

圖注說明

（a）腦扭矩計算示意圖（詳見 Xiang et al., 2019）展示了大腦左右半球在不同平面的位移測量方法。具體來說，前后位移是指左右腦半球的左、右額葉和枕葉極點在XZ平面兩個極點之間的距離。而前后瓣狀位移則是指左右腦半球的額葉和枕葉極點沿XY平面的位移。圖中X、Y和Z軸分別用紅色、綠色和黃色表示，位移測量值則用藍色標識。此外，圖中還展示了彎曲角度的計算方式：藍色平面代表大腦額葉和枕葉區內側表面頂點的擬合最小二乘平面，黃色平面表示x=0處的正中矢狀面，彎曲度即為這兩個平面法線（分別為藍色和紅色）之間的夾角。

（B）大腦尺寸的測量結果顯示為一個封閉的平行六面體，其邊緣與MNI坐標系平行，以此來量化大腦的尺寸特征。

上圖A-F展示了青年、中年和老年組男性和女性在頂葉蒙太奇CP5_CZ配置下的平均電流密度（CD）空間分布，以三列形式呈現。i-SATA輸出顯示了大腦前10%區域的平均CD（單位：mA/m2），其中目標感興趣區域“左下頂小葉（IPL）”以粉紅色標識。（G）部分展示了三個年齡組中男性和女性在目標區域“左下頂小葉（IPL）”（w-target，粉紅色柱狀條）的電流差異。（H）部分提供了電場刺激示例，ROAST輸出以V/m為單位，展示了陽極位于CP5、陰極位于CZ，電極尺寸為5×5 cm2，注入電流為2mA時的電場分布情況。