经颅直流电刺激是一种非侵入式脑刺激技术,其利用微小的颅外恒定电流改变大脑神经元活性。近年来,经颅直流电刺激以无创、安全和经济的突出优点,在脑损伤修复、神经疾病治疗、认知与情绪调控等领域得到了广泛发展应用。但如何实现大脑皮层定向刺激是经颅直流电刺激研究必需解决的现实问题。本课题围绕电流刺激的定向问题,分别从电刺激关键参数、神经元兴奋机制及定向优化方法三方面开展研究,研究结论可为辅助制定合理的刺激方案及保障过程的安全性和有效提供支持。论文的主要工作如下:1)建立经颅直流电刺激数值研究模型。实现头颅数值计算模型的构建,并通过脑电实验验证计算模型的正确性,为解决定向刺激的逆向优化问题提供正向数值研究基础。2)系统评价关键参数影响颅内电场分布问题。基于电磁场正问题的有限元计算方法,明确不同电极参数对脑区的聚焦性能、电流利用效率等指标的影响,为设计定向刺激方法提供关键参数的参考。3)为验证经颅直流电刺激生物效应及关键参数的分析评价结果,分别从宏观行为学任务表现能力和脑电节律频率特性方面开展实验研究,为明确经颅直流电刺激的生物效应和作用机制研究提供实验基础。4)研究经颅直流电刺激与神经元放电特性及敏感性的关系。利用神经元数值计算模型,分析电流刺激调控神经元发放特性的机制,可为经颅电流刺激理论的深入研究提供基础。5)为解决刺激电流的定向问题,结合临床安全性和有效性的基本要求,建立逆问题研究的理论模型,并设计优化约束条件,实现脑区定向高效刺激的目标。论文的主要结论包括:1)建立三维经颅直流刺激关键参数评价模型,补充和完善经颅直流电刺激系统,为进一步开展应用研究提供技术保障;2)基于关键参数的评价,开展多项实验验证研究,首次证实左背外侧前额叶皮层的经颅直流电刺激可提高复杂计算任务能力,并从计算神经学角度初步揭示了电流刺激的作用机制;3)首次提出并实现九电极布局策略和电流刺激逆向优化方法,有效解决经颅直流电定向聚焦刺激问题,为临床高效合理的制定刺激方案提供参考。