神经调控技术通过物理或化学手段影响神经系统，并引起脑功能变化，对于神经科学研究和临床神经系统疾病治疗具有重要意义。神经调控技术按照使用过程中对人体组织有无创伤，可分为侵入式和非侵入式神经调控技术。侵入式神经调控技术通过手术植入电极或装置实现对脑部靶区的精准调控，但手术伴随着一定的风险和限制，不适宜于普通人群推广应用。相比之下，非侵入式神经调控技术采用外部物理能量（如电场、磁场、声波等）调节神经活动，无需手术，具有较低的风险和更广泛的适用范围。经颅电刺激 (Transcranial Electrical Stimulation, tES) 和经颅磁刺激 (Transcranial Magnetic Stimulation, TMS) 是目前临床和科研领域中最为常用的两种非侵入式神经调控技术。tES的优势是便携易用，但其刺激强度相对较弱，调控效果受个体差异、刺激参数和康复方案等因素的影响而不稳定；TMS的刺激强度大，能够直接激活神元，但存在功耗高、体积大和价格昂贵的缺点，无法在自由活动中、空间受限的条件下，以及家庭与社区进行神经调控。然而，自然场景下的神经调控应用需要更加便携、高效的非侵入神经调控技术，同时人脑精细脑区的神经调控需要更加聚焦的非侵入神经调控技术。针对以上问题，此课题开发了基于电磁叠加方法的便携式神经调控技术，并通过仿真研究和在体实验进行了验证，实现了便携、高效和聚焦的非侵入神经调控。课题的主要成果如下：

1．研制了首台可穿戴重复经颅磁刺激仪 (rTMS-tiny)，实现了随时随地的阈上重复经颅磁刺激(Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation, rTMS)，同时具有低成本和便捷易用的特点。与商用台式rTMS设备进行了比较测试，功耗和体积仅为其10%，而刺激强度达到其90%以上。在自由活动中进行了rTMS调控实验，发现自由行走中下肢的活动可以增强上肢运动皮层的兴奋性，为中风康复提供了新的启示。

2．研制了三种新的电刺激设备。1）中强度脉冲电刺激器 (mP-TES) 通过脉冲电刺激技术，解决了低强度tES刺激强度弱和高强度TES会诱发头皮刺痛的问题, 增强了大脑内的电场强度，进而提高tES刺激效能。2）时间干涉电刺激器 (TI-tES) 通过2通道隔离高频经颅交流电刺激 (Transcranial Alternating Current Stimulation, tACS) 在大脑内部实现时间干涉 (Temporal Interference, TI) 电刺激，提高了深部聚焦性，进而提高tES刺激效能。3）光电同步脑活动检测与调控一体设备 (C-NEG) 集成了2通道多功能tES、4通道功能近红外谱 (Functional Near-infrared Spectroscopy, fNIRS)和8通道脑电 (Electroencephalogram, EEG)，可以同时进行tES脑调控和脑状态监测，根据脑实时状态调整刺激参数，进而提高tES的刺激效能。

3．提出了电磁叠加神经调控方法 (Superposition of Transcranial Electrical and Magnetic Stimulation, STEMS)，巧妙利用TMS感生电场是“有旋场”和tES电场是“无旋场”的特性，将两种电场在时空上精确叠加，可以大幅提高TMS的聚焦性和刺激强度。结合便携式重复经颅磁刺激仪 (rTMS-mini) 和中强度脉冲电刺激设备 (mP-TES)，实现了电磁叠加神经调控系统。使用COMSOL Multiphysics软件仿真了平板模型、单层球模型和多层球模型，均证明电磁叠加显著提高了电场的强度和聚焦性。使用SimNIBS软件对猴脑和人脑的有限元模型进行仿真研究，也证明了电磁叠加的有效性。将电磁叠加神经调控技术进行了4项在体实验研究，进一步证明了电磁叠加的有效性，以及在实际应用中的价值。1）猴脑运动皮层电磁叠加神经调控实验，验证了电磁叠加显著提高了刺激强度，并可将功耗降低50%以上；2）人外周肌肉电磁叠加神经调控实验，不仅验证了电磁叠加显著提高了刺激强度，也观测到了显著的聚焦性提升；3）人脑运动皮层电磁叠加神经调控实验，验证了电磁叠加原理的有效性，在10 cm电极间距情况下，电磁叠加显著提高刺激强度，在4 cm电极间距情况下，电磁叠加提高了聚焦性；4）反相电磁叠加削弱TMS副作用实验，利用反相电磁叠加来削弱TMS诱发的头皮刺痛，显著提高了被试的耐受度。