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CoRENS / 冷却与电刺激联合调控 · 2026-11-02

让温度成为电刺激的控制变量

Cooling-regulated electrical nerve stimulation

通过改变局部神经状态，重塑电刺激诱发的募集与传播。CoRENS 将微流控冷却、电极与温度读出集成于柔性袖套，在同一接口中探索纤维组成、传播方向与阻滞启动过程的联合控制。

沿研究推进顺序，逐图阅读发现、机制与结果。点击图片可连同说明一起放大。

01 / 研究主线

起点：冷却也在改变电刺激募集

研究从一个观察出发：在初代袖套中，较温和的冷却已经使电刺激诱发的传入信号消失。器件表征与神经记录一起提出了新的问题——温度能否分别用于调节活动的产生和传播？

Fig. 2 · 器件实现与关键发现。从器件热学读到初代神经响应：A–G 建立冷却和温度读出的基础，H–L 展示促成后续设计的关键观察。 — Fig. 2 · 器件实现与关键发现
从器件热学读到初代神经响应：A–G 建立冷却和温度读出的基础，H–L 展示促成后续设计的关键观察。
**H–L · 初代发现**
冷却与刺激中心相距 4 mm；在 600 μA、50 μs 双相刺激下，核心温度约 19 °C 时，传入 CNAP 消失。这一现象提示，温度也能改变电刺激的募集。
**A–G · 可实施的冷却**
微流道、铂电极、热敏电阻与金刚石填充 PDMS 导热层，把冷却、电刺激和温度读出集成到柔性袖套中。
**读数的含义**
核心温度标记器件的热状态，并不直接等于驱动位点每根纤维的温度。台架中传感器与神经仿体读数约有 5 °C 差异。
器件表征与在体观察。电极线宽 300 μm、邻位间距 1 mm；1 kHz 阻抗低于 100 Ω。

要利用这个效应，下一步需要把募集与传播放到不同位置处理。

02 / 研究主线

把募集区与阻滞区分开

同一接口建立温度梯度：驱动区负责募集组成，较冷核心负责非靶向路径上的通行。器件架构说明如何安排任务，间距实验说明两区如何减少相互干扰。

Fig. 1 · 联合控制架构。把初代观察转化为控制架构：B–D 展示接口组成，E–F 分别解释空间选择与时间接力，G–I 连接到膜等效电路。 — Fig. 1 · 联合控制架构
把初代观察转化为控制架构：B–D 展示接口组成，E–F 分别解释空间选择与时间接力，G–I 连接到膜等效电路。
**B–D · 集成接口**
柔性袖套在同一神经界面安排微流道、电极和温度读出，冷却液由外部回路供给。面向神经的导热层为 50 wt.% 金刚石填充 PDMS。
**E · 空间分工**
驱动区位于较温和的冷却梯度，调节哪些纤维被募集；更冷的核心位于非靶向路径，调节已产生的活动向哪里传播。
**F · 时间接力**
先冷却，再启动千赫兹电刺激，随后复温；通过改变输入顺序，控制进入阻滞及维持阻滞的过程。
Fig. 1D 为虚拟自动温度反馈架构；图中的自动控制逻辑与已实现的器件读出分别理解。

Fig. S8 · 驱动与阻滞间距。不同驱动–阻滞间距的测试，回答两个作用区域需要相隔多远，才能减少 KHFS 对驱动的干扰。 — Fig. S8 · 驱动与阻滞间距
不同驱动–阻滞间距的测试，回答两个作用区域需要相隔多远，才能减少 KHFS 对驱动的干扰。
**间距测试**
多间距在体结果确定约 7.5 mm 以上的低干扰范围，为空间分离提供实验依据。
**设计落点**
最终器件采用 9 mm 的驱动–阻滞中心间距，使驱动区的募集调节与核心区的传播控制能够分别安排。
此处为器件间距依据；后续不同模型配置的几何单独报告。

空间和输入确定之后，还需要解释神经膜在这些条件下如何响应。

03 / 研究主线

从物理场走到温度响应膜模型

先用器件热学与真实纤维几何确定局部输入，再改造膜动力学。主图展示整体联系，三张补充图依次解释电路改了什么、产生了什么响应、与标准处理有何区别。

Fig. 3 · 从物理场到神经响应。A–F 先说明温度场、电场和导热结构；G–I 再将局部物理场连接到纤维响应与通道电流。 — Fig. 3 · 从物理场到神经响应
A–F 先说明温度场、电场和导热结构；G–I 再将局部物理场连接到纤维响应与通道电流。
**A–F · 从器件到局部输入**
导热结构决定神经所经历的冷却速度和空间范围。模拟中达到 9 °C 的时间由未填充层的约 290 s 缩短至复合层的约 20 s。
**G–I · 从局部输入到响应**
模型同时纳入温度场、电场与膜动力学，描述冷却下的募集、传导减慢和阻滞，连接可测响应与内部膜电流。
**同一纤维群体**
从 1,944 个组织学纤维轮廓中，按位置与直径分层选取 150 根代表纤维，用于募集、传播及复合信号分析。
热学时间为入口 −10 °C、流量 5 mL/min 下的模拟对照。最终器件为 9 mm；主要区室群体配置为 8 mm，独立沿程 CNAP 扫描为 6 mm。

Fig. S1 · 温度相关膜等效电路。对照基线与温度响应膜电路，再沿图中的温度函数理解模型具体改变了哪些量。 — Fig. S1 · 温度相关膜等效电路
对照基线与温度响应膜电路，再沿图中的温度函数理解模型具体改变了哪些量。
**电路层面**
保留膜等效电路的结构，在常规门控速度缩放之外引入温度响应。
**参数层面**
通道幅度、有效电压、反转电位及膜参数随温度变化，使模型能够描述不止于门控变慢的冷却行为。
模型定义与参数函数；其响应表现由下面的电压钳对照进一步说明。

Fig. S10 · 改造通道的电压钳响应。改造通道的电压钳响应：在给定钳制条件下，对照不同温度的通道电流。 — Fig. S10 · 改造通道的电压钳响应
改造通道的电压钳响应：在给定钳制条件下，对照不同温度的通道电流。
**读图方式**
沿相同通道与钳制条件比较各温度曲线，观察电流幅度与时间过程如何共同变化。
**模型贡献**
温度相关参数把冷却映射为具体的膜电流行为，为解释纤维募集与传播提供机制层面的依据。
计算电压钳结果，与下图的标准通道处理成对阅读。

Fig. S11 · 标准通道对照。标准通道的电压钳响应，为上一张图的模型改造提供参照。 — Fig. S11 · 标准通道对照
标准通道的电压钳响应，为上一张图的模型改造提供参照。
**与 S10 对照**
在相应通道和温度条件下比较响应，区分传统温度处理与新增温度相关参数所带来的变化。
**为什么需要改造**
研究从“降温使门控变慢”推进到对募集、传播和阻滞状态的描述；通道对照解释这一改造的来源，群体与在体结果检验其功能意义。
标准模型对照，不作为另一组在体测量。

这套模型随后用于解释两种功能：先看时间上的启动与接力，再看空间上的选择性输出。

04 / 研究主线

先预冷，再进入电阻滞

冷却不只改变稳定状态，也能参与刺激启动的过程。通过安排预冷、KHFS 开启和复温的顺序，研究将低启动响应与连续阻滞联系起来。

Fig. 4 · KHFS 启动与阻滞接力。从在体启动响应和阻滞接力读起，再看电场边缘机制与群体状态，理解温度如何改变 KHFS 的启动过程。 — Fig. 4 · KHFS 启动与阻滞接力
从在体启动响应和阻滞接力读起，再看电场边缘机制与群体状态，理解温度如何改变 KHFS 的启动过程。
**预冷减弱启动响应**
大鼠坐骨神经的 10 kHz 刺激中，局部约 10 °C 时，启动踝偏转由约 50° 减至约 5°，机械启动响应降低约 90%。
**冷却与电阻滞接力**
冷却先使传出 CNAP 消失；启动 KHFS 后逐渐复温，传出响应保持抑制，传入响应恢复。撤去 KHFS 后，两侧响应恢复。
**模型解释起始位置**
启动活动出现在 KHFS 电场边缘，说明冷却覆盖范围和电场形状共同影响这些活动能否向外传播。
在体结果 n = 3，只报告启动机械响应。群体模型最低启动概率约在 14 °C，与在体约 10 °C 的踝偏转结果属于不同指标。

理解时间控制之后，需要先读懂复合神经信号，才能判断空间选择性究竟保留了什么。

05 / 研究主线

从 CNAP 波形读出纤维群体

电生理波形并不直接标注每根纤维的类别。实测与重建 CNAP 的对照，建立了从快慢成分到群体募集的解释桥梁。

Fig. 5 · 电生理读出的解释。将实测 CNAP 与模型重建并置，再按纤维直径和空间位置分解，回答快、慢波形成分代表什么。 — Fig. 5 · 电生理读出的解释
将实测 CNAP 与模型重建并置，再按纤维直径和空间位置分解，回答快、慢波形成分代表什么。
**快慢成分的来源**
早期快成分主要联系 Aα/Aβ 富集活动，延迟慢成分主要联系 Aδ 富集活动，为后续判断选择性提供读出。
**阈值为何重叠**
纤维位置不同，经历的电场也不同。群体募集阈值因此重叠，在该条件下，仅降低电流不能清晰分离两个群体。
**如何重建波形**
先求每根纤维的非线性响应，再叠加记录位置的细胞外电位贡献，将群体状态连接到可测电信号。
快慢成分是群体富集的读出，需要与模型分解及记录路径共同解释。

有了这个读出，便能同时比较两侧方向和两类波形成分。

06 / 研究主线

让募集过滤与定向阻滞共同作用

较温和的驱动区与更冷的核心承担不同任务。双侧记录把这两种作用放在同一过程中检验，展示方向性、Aβ 偏向的传入输出。

Fig. 6A–M · 方向性输出。沿降温、低温与复温过程比较双侧记录，分别观察快成分和慢成分，而不是只看某一侧波形是否减小。 — Fig. 6A–M · 方向性输出
沿降温、低温与复温过程比较双侧记录，分别观察快成分和慢成分，而不是只看某一侧波形是否减小。
**驱动区改变募集组成**
约 15 °C 的驱动区使 Aδ 富集的慢成分减弱；慢成分在双侧均受到抑制。
**核心区改变传播方向**
低于 5 °C 的核心位于非靶向路径。快成分在传入侧部分保留，在传出侧明显减弱，形成方向性、Aβ 偏向的输出。
**复温提供过程对照**
复温后响应恢复，连接冷却状态与输出变化，支持募集过滤和传播阻滞共同作用的解释。
同步双侧在体记录，n = 3。Aβ 偏向表示输出组成的偏向，不等同于纯 Aβ 输出或临床镇痛结果。

最后，模型将这一有效条件扩展为可以系统分析的联合输入范围。

07 / 研究主线

从有效条件扩展到工作窗口

研究的落点不止于一个温度或电流值。联合输入扫描与沿程信号说明：什么被激活、什么能够通过，以及什么在途中被阻断。

Fig. 6N–S · 联合调控工作窗口。从单个有效条件进一步走向电流–温度平面，结合沿程 CNAP，区分不同输入下的活动状态。 — Fig. 6N–S · 联合调控工作窗口
从单个有效条件进一步走向电流–温度平面，结合沿程 CNAP，区分不同输入下的活动状态。
**联合输入决定选择性**
电流与温度共同改变募集比例和传播结果，目标输出对应一定工作窗口。
**区分三种状态**
模型分别识别未激活、激活且通过、激活后被阻断，避免把所有远端信号减小都解释成同一种机制。
模型预测与状态分析，用于扩展和解释已观察到的控制功能。

Fig. S21 · 冷却强度与传播状态。将冷却强度、募集、沿程 CNAP 与通过比例放在一起，解释上图工作窗口是怎样形成的。 — Fig. S21 · 冷却强度与传播状态
将冷却强度、募集、沿程 CNAP 与通过比例放在一起，解释上图工作窗口是怎样形成的。
**从输入追踪到输出**
在不同冷却强度下，同时查看哪些纤维被募集、活动传播到哪里，以及最终通过的比例。
**窗口的形成机制**
募集过滤与传播阻滞共同决定输出；沿程信号将刺激源附近的活动和远端可测响应联系起来。
沿程 CNAP 与通过状态为计算分析；结合前面的双侧记录理解其生理意义。

由此，初代发现、集成接口、时间与空间控制，以及预测模型连成同一条研究主线。

把温度、接口与神经响应连起来

CoRENS 将温度引入电刺激的募集与传播过程：空间配置塑造输出组成和方向，时间配置改变阻滞启动与接力。实验为模型提供约束，模型则解析膜电流与沿程传播，并将结果扩展到电流–温度工作窗口。

同类研究对照与文献

沿用参考材料中作者确认的对照表，展示募集选择性、非靶向抑制、阻滞启动、器件集成与神经建模的功能组合。

来源：CoRENS_Table_EndNote_v1.docx · 作者整理
Device / study	Mode	Selective activation	Pain / Aδ suppression	Motor off-target suppression	Onset-free block	Single implanted device	Neural modeling
KHFAC nerve cuffs [1]	Block	×	×	×	×	×	×
Peltier thermode + HFAC cuff [2]	Block	×	×	×	✓	×	×
KHFAC / CBDC electrodes [3]	Block	×	×	×	✓	×	×
Acute Flex cuffs [4]	Block +activate	✓ aff./eff.	×	×	—	×	×
Carbon-coated J-cuff [5]	Block	×	×	×	×	×	✓
28-contact cuff [6]	Activate	✓ organ	×	×	—	✓	✓
Bioresorbable cooler [7]	Block	×	✓ pain	×	—	✓	×
Nerve cuff + optical fiber [8]†	Activate	✓ Aα/Aβ	×	✓ window	—	×	×
Ramped-KHF cuffs [9]	Block	×	×	×	✓	×	✓
LF/HF VNS cuffs [10]	Block +activate	✓ size	×	✓ EMG	×	×	×
CoRENS (this work)	Block +activate	✓ Aβ, dir.	✓ Aδ	✓ eff.	✓	✓	✓

✓ 已展示；× 未展示或不满足；— 不适用。Single implanted device 不计记录器件；Neural modeling 指轴突或膜动力学；† 表示需要外源 opsin 表达。aff./eff.：传入／传出；dir.：方向性；EMG：肌电。CoRENS 的 Pain / Aδ 栏对应 Aδ 成分抑制。

依据 2026-11-02 更新的《CoRENS_NE_研究骨架与创新图谱》及其关联研究材料整理，12 张原图保持原样。当前展示包含器件表征、大鼠在体实验与计算模型；补充材料中的急性及 60 天植入组织学观察属于组织相容性证据。

最后，用动画回看控制过程

跟随一次完整的联合调控过程

从共同输入、募集过滤与定向通行，走到常温 KHFS 启动、预冷对照和复温接力。4 分 24 秒，配有普通话旁白与逐句中文字幕，16 个讲解章节可按主题跳转。

普通话配音 · 中文字幕 · 04:24打开 / 下载视频 ↗

普通话合成配音；中文字幕默认开启，可在播放器中关闭。下载字幕 SRT ↗

本片为原项目的定性等效电路与传播示意。亮带表示活动经过的位置；电压、时间与单元数量用于讲解，不是实测神经数据。Aα/Aβ 在动画中合并为快成分。

Fig. 2 · 器件实现与关键发现

Fig. 1 · 联合控制架构

Fig. S8 · 驱动与阻滞间距

Fig. 3 · 从物理场到神经响应

Fig. S1 · 温度相关膜等效电路

Fig. S10 · 改造通道的电压钳响应

Fig. S11 · 标准通道对照

Fig. 4 · KHFS 启动与阻滞接力

Fig. 5 · 电生理读出的解释

Fig. 6A–M · 方向性输出

Fig. 6N–S · 联合调控工作窗口

Fig. S21 · 冷却强度与传播状态

把温度、接口与神经响应连起来

跟随一次完整的联合调控过程