經(jīng)顱電刺激與視功能調(diào)控*

林博榮 何 勍 趙 金 楊 佳 石迎珍 閆芳芳 席 潔 黃昌兵

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經(jīng)顱電刺激與視功能調(diào)控*

林博榮1,2何 勍1,2趙 金1,2楊 佳1,2石迎珍1,2閆芳芳1席 潔1黃昌兵1

(1中國科學院心理研究所, 北京 100101) (2中國科學院大學心理學系, 北京 100049)

經(jīng)顱電刺激(Transcranial Electrical Stimulation, TES)通過電極將特定模式的低強度電流作用于大腦頭皮以調(diào)控皮層活動, 是一種非侵入、無創(chuàng)的神經(jīng)刺激方法。根據(jù)刺激電流的模式的不同, TES分為經(jīng)顱直流電刺激(tDCS), 經(jīng)顱交流電刺激(tACS)和經(jīng)顱隨機電刺激(tRNS)。TES能對視功能諸如光幻視閾值、視野、對比敏感度、視知覺運動等進行一定程度上的調(diào)控, 并且能夠與傳統(tǒng)的視覺知覺學習訓練相結(jié)合以調(diào)控視覺功能。對于不同的視覺功能, 不同的TES參數(shù)和模式的調(diào)控效果有所不同。

視功能; 經(jīng)顱直流電刺激; 經(jīng)顱交流電刺激; 經(jīng)顱隨機電刺激; 知覺學習

1 經(jīng)顱電刺激(Transcranial Electrical Stimulation, TES)

經(jīng)顱電刺激(Transcranial Electrical Stimulation, TES)技術(shù)從提出到應用經(jīng)歷了一段較長的歷史。早在1980年, Merton和Morton就提出了無創(chuàng)的經(jīng)顱電刺激(TES)方法。他們試圖通過電流刺激完好的大腦來改變大腦功能, 證實了經(jīng)顱電刺激作用于枕葉皮層可以引起光幻視現(xiàn)象(Phosphene)。雖然當時的經(jīng)顱電刺激是非侵入性的, 但由于使用的電流是高壓電流, 會引起被試疼痛和頭皮肌肉收縮, 所以這個技術(shù)在當時沒有得到廣泛的關(guān)注(Merton & Morton, 1980)。直到20世紀90年代, 隨著經(jīng)顱磁刺激技術(shù)的流行, 同樣非侵入性的電流刺激技術(shù)重新進入研究者們的視線。在21 世紀初, Nitsche和Paulus (2000)運用經(jīng)顱直流電刺激(transcranial direct current stimulation, tDCS)作用于人類的運動皮層, 發(fā)現(xiàn)了皮層在微弱的電刺激(≤ 1 mA)前后興奮性的變化(Nitsche & Paulus, 2000)。從那之后, 由于TES對神經(jīng)活動進行直接調(diào)控的可能性以及它對大腦皮層的無創(chuàng)性, TES成為近十幾年來認知神經(jīng)科學研究中的一個熱點。

TES技術(shù)的歷史較長, 但操作并不復雜。它是通過兩個或多個電極, 將特定模式的低強度電流持續(xù)作用于大腦皮層, 以調(diào)控大腦神經(jīng)活動。在TES對視覺功能調(diào)控的研究中, 一般把主要電極片安放在Oz處, 參考電極于Cz處(見圖1a), 常見的電極片面積在25 cm2到35 cm2之間。也有研究者為了提高電流的空間聚焦, 使用9 cm2或更小的電極片。電刺激的電流強度在0.1 mA到2 mA之間, 持續(xù)時間一般為3分鐘到30分鐘。

根據(jù)電刺激所使用電流的不同模式, TES主要分為經(jīng)顱直流電刺激(tDCS), 經(jīng)顱交流電刺激(transcranial alternating current stimulation, tACS)和經(jīng)顱隨機電刺激(transcranial random noise stimulation, tRNS)。其中研究得比較早、比較多的是tDCS。tDCS使用的電流是直流電, 它起作用的主要參數(shù)包括作用位置、電極極性、電流強度和刺激時間, 見圖1b。兩種極性的TDCS效果通常相反：陽極經(jīng)顱電刺激(A-tDCS)被認為能夠提高大腦皮層的興奮性, 而陰極經(jīng)顱電刺激(C-tDCS)則會降低興奮性。tACS使用的電流為交流電, 它的主要參數(shù)為交流電的頻率和電流強度, 見圖1c。不同頻段的tACS被認為與皮層自發(fā)的神經(jīng)振蕩相互作用, 從而影響皮層功能(Herrmann, Strüber, Helfrich, & Engel, 2016)。tRNS相比tACS不同的地方在于所使用的交流電頻率是在一個范圍內(nèi)隨機的。有研究發(fā)現(xiàn), 10分鐘的tRNS刺激就能引起長達60分鐘的神經(jīng)興奮性(Terney, Chaieb, Moliadze, Antal, & Paulus, 2008)。

圖1 TES示意圖。a. 電極位置示意圖; b. A-tDCS模式示意圖; c. tACS模式示意圖。

2 TES與光幻視閾值(Phosphene Threshold, PT)

光幻視是人眼在沒有光源刺激的情況下能感受到了光的一種現(xiàn)象。經(jīng)顱磁刺激(TMS)脈沖傳遞到大腦皮層的枕葉皮層可以引起視覺的光幻視(Meyer, Diehl, Steinmetz, Britton, & Benecke, 1991)。能引起光幻視的平均TMS強度定義為光幻視閾值(Phosphene Threshold, PT)。PT對于每一個人來說是相對穩(wěn)定的, 是衡量視覺皮層興奮性的一個指標(Boroojerdi, Prager, Muellbacher, & Cohen, 2000)。對基于TMS測量的PT的調(diào)控, 提示了TES對視覺皮層興奮性的有效性。TES調(diào)控PT的研究, 刺激位置一般是枕葉區(qū), 目前主要結(jié)論是TES能夠有效調(diào)控基于TMS測量的PT值, 但調(diào)控效果視TES的類型和參數(shù)而定。

tDCS以特定極性的方式有效調(diào)控PT。Antal, Kincses, Nitsche和Paulus (2003a)首次考察了tDCS作用于初級視覺皮層的前后對PT的影響。研究中采用5 Hz的短頻磁刺激(TMS)作用于被試的初級視覺皮層V1來測試PT。電刺激條件有陰極、陽極和虛假tDCS三種。刺激電極放置在Oz, 參考電極在Cz。9個正常成年被試在接受電刺激前、刺激后、10分鐘后和20分鐘后4個時間點進行PT測試。結(jié)果發(fā)現(xiàn), 在刺激之后和10分鐘時, C-tDCS顯著提升PT, 而A-tDCS則顯著降低了PT。提示C-tDCS降低了皮層興奮性, 而A-tDCS提高了皮層興奮性(Antal et al., 2003a)。Antal等人(2003b)還考察了tDCS對移動PT (moving PT)的影響。研究中使用TMS作用于被試左側(cè)或右側(cè)V5測得移動PT。結(jié)果發(fā)現(xiàn), 在刺激之后和10分鐘時, C-tDCS顯著提高而A-tDCS降低了PT。提示tDCS作用于V1能有效調(diào)控移動PT(Antal et al., 2003b)。

tACS在特定頻率時能夠有效調(diào)控PT。Kanai, Paulus和Walsh (2010)考察了tACS對視覺皮層興奮性的影響。研究中在使用不同頻率的tACS (5, 10, 20和40 Hz)刺激于枕葉區(qū)時, 采用單脈沖TMS測量PT。結(jié)果發(fā)現(xiàn), 20 Hz的tACS在刺激過程中降低了PT, 即提高了視覺皮層的興奮性, 其他頻率的tACS對PT沒有影響(Kanai et al., 2010)。

3 TES與視野(Visual Field, VF)

視野是指人的頭部和眼球不動的情況下, 眼睛觀看正前方物體時所能看得見的空間范圍, 是一項基本的視覺功能(Smythies, 1996)。一般通過靜態(tài)視野計和動態(tài)視野計來測量視野。視覺通路上任何一處病變都會導致視野缺損(Kasten et al., 1999)。視野缺損是指視野范圍內(nèi)普遍或局部的視敏度的缺失, 可能表現(xiàn)為視力減退、視物不清、偏盲等。TES用于研究視野恢復的主要針對人群是視野缺損病人, 目前主要的結(jié)論是TES能夠有效增大視野缺損病人的視野范圍, 但不同刺激模式的效果不一樣。

3.1 TDCS與VF

tDCS結(jié)合恢復訓練能有效促進視野缺損病人的視野恢復。Ela B. Plow等人首先考察了TDCS結(jié)合視覺恢復治療(Vision Restoration Therapy, VRT)對中風后偏盲病人視野恢復的作用。病人接受3個月的視覺恢復治療訓練, 每周3天, 每天2次, 每次30分鐘。實驗組病人在接受VRT訓練時同時接受A-tDCS。刺激電極位于Oz, 參考電極位于Cz, 電流強度為2 mA。控制組病人在訓練時接受虛假電刺激。訓練前后用高分辨率視野計進行測試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)接受A-TDCS的病人的視野相比控制組恢復得更好 (Plow, Obretenova, Fregni, Pascual-Leone, & Merabet, 2012; Plow et al., 2011; Plow, Obretenova, Jackson, & Merabet, 2012)。Alber,Moser, Gall和Sabel (2017)考察了tDCS結(jié)合視覺恢復訓練對大腦后動脈中風病人視野恢復的效果。7個同側(cè)偏盲病人接受66 (±50)天的視覺恢復訓練, 其中有10天在訓練時接受20分鐘的A-tDCS刺激。電極位置于O1或O2, 參考電極位于Cz。7個損傷時長和程度與實驗組的7人相匹配的病人作為控制組, 僅接受一般訓練。結(jié)果發(fā)現(xiàn), 實驗組相比控制組, 病人視野范圍恢復的效果更好(Alber et al., 2017)。

tDCS能夠有效影響正常人周邊視野的閾值。Costa等人(2015a)考察了tDCS對正常人中央和周邊視野的影響。實驗采用被試內(nèi)設(shè)計, 15個正常被試先后接受3個tDCS的刺激條件：陽極電刺激、陰極電刺激和假刺激, 每個刺激條件之間間隔1周。刺激作用期間完成視野測量任務。結(jié)果發(fā)現(xiàn)tDCS降低了周邊視野的閾值, 但對中心視野沒有顯著的影響(Costa, Gualtieri et al., 2015a)。

3.2 tACS與VF

tACS能夠有效提升視野受損病人的視野范圍。tACS對視野恢復的研究, 刺激位置主要在眼球的外周位置。Sabel等人(2011)通過雙盲、隨機、控制組的實驗設(shè)計, 考察了重復性經(jīng)眼眶交流電刺激(repetitive transorbital alternating current stimulation, rtACS)對視神經(jīng)損傷病人的視野恢復效果。4個rtACS的電極片放在左右眼球的上、下位置, 參考電極位于右臂手腕處。電流強度是為每個人剛好能夠被引起光幻視的值(≤ 1 mA), 刺激時間為10天, 每天40分鐘。實驗組12個視神經(jīng)受損病人在刺激前后完成中心視野(Central visual fields)的高分辨率視野測試任務。結(jié)果發(fā)現(xiàn), 相比于控制組, 實驗組顯著提高了病人的視野范圍(Sabel et al., 2011)。這一結(jié)果在之后的446個神經(jīng)損傷病人的臨床觀察研究中得到驗證(Fedorov et al., 2011)。隨后的研究也發(fā)現(xiàn)這種視野范圍的提升, 跟視覺功能問卷得分的提高是相關(guān)的, 提示視野恢復也能夠有效提升病人視功能相關(guān)的生活質(zhì)量(Gall et al., 2011)。

不同參數(shù)的rtACS效果不一樣：方波重復交流電刺激(Square-rtACS)的效果優(yōu)于正弦重復交流電刺激(Sinus-rtACS)。Gall等人(2013a)考察了Sinus-rtACS對視野范圍的影響, 并與他先前的square-rtACS的研究結(jié)果做對比。36個視野缺損的被試分實驗組和控制組, 接受共10天, 每天25到40分鐘的電刺激或虛假刺激, 在刺激前后完成高分辨率的視野測試。結(jié)果發(fā)現(xiàn), Sinus-rtACS對視野范圍的提升僅在被試內(nèi)統(tǒng)計中顯著, 在被試間不顯著, 提升幅度相比Square-rtACS要小(Gall, Bola, et al., 2013a)。

rtACS對視野缺損病人的視野恢復效果相對穩(wěn)定。Gall等人(2013b)把98個視覺神經(jīng)損傷病人分層隨機分配到rtACS實驗組和控制組。被試在刺激前后以及兩個月之后接受視野測試。結(jié)果發(fā)現(xiàn), 實驗組相比控制組, 視野恢復效果要好, 并且提升效果能保持至少2個月(Gall, Federov, et al., 2013b)。Gall等人(2016)通過隨機、雙盲、控制組實驗考察了rtACS對偏盲病人(partially blind patients)的視野范圍的提升。結(jié)果發(fā)現(xiàn)實驗組相比控制組視野提升了范圍(24%), 并且視野提升的效果至少保持了2個月(Gall et al., 2016)。

4 TES與對比敏感度(Contrast Sensitivity, CS)

最初探索TES對視覺皮層興奮性的調(diào)控是從tDCS調(diào)控對比敏感度開始的, 刺激電極位置常為初級視皮層V1的Oz, 參考電極為Cz。目前tDCS對CS的調(diào)控效果的結(jié)論主要是A-tDCS能提高被試的對比敏感度, C-tDCS的作用相反, 但也有研究發(fā)現(xiàn)不一致的結(jié)果。

Antal等人率先在2001年考察了TDCS對正常人的對比度閾值的調(diào)控作用。刺激條件有陽極、陰極。結(jié)果發(fā)現(xiàn)C-tDCS在作用期間和10分鐘后都顯著提高了被試的對比度閾值, 而A-TDCS對比敏感度沒有影響(Antal, Nitsche, & Paulus, 2001)。Spiegel, Byblow, Hess和Thompson (2013)考察了tDCS對弱視成年人的對比敏感度的影響。實驗采用被試內(nèi)設(shè)計, 13個弱視被試先后接受陽極和陰極2個TDCS條件。在電刺激進行之前、期間和之后測試被試的對比敏感度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)C-TDCS降低了弱視成年人好眼的對比敏感度, A-tDCS提高了8個(總13個)弱視成年人弱視眼的對比敏感度(Spiegel et al., 2013)。Ding等人(2016)考察了tDCS對弱視成年人的對比敏感度和視覺誘發(fā)電位的影響。實驗組21個弱視被試和控制組的27個正常成年人, 先后接受3個tDCS條件：陽極、陰極和虛假刺激條件。結(jié)果發(fā)現(xiàn)A-tDCS提高了弱視成年人弱視眼的對比敏感度, 并且提高了視覺誘發(fā)電位振幅; C-tDCS的效果則相反(Ding et al., 2016)。Reinhart, Xiao, McClenahan和Woodman (2016)考察了tDCS對成年人空間視知覺的影響。刺激電極位置為P1/P2, 參考電極位于對側(cè)臉頰。結(jié)果發(fā)現(xiàn)A-tDCS有效提高了被試的中央視力, 并且提高了被試在高空間頻率下的對比敏感度(Reinhart et al.,2016)。Costa等人(2015b)考察了tDCS對成年人的對比敏感度和視覺誘發(fā)電位的影響。電極片面積為25 cm2, 電刺激強度為1.5 mA, 刺激時間為30分鐘。結(jié)果發(fā)現(xiàn)tDCS對對比敏感度沒有調(diào)控作用(Costa, Hamer, et al., 2015b)。Richard, Johnson, Thompson和Hansen (2015)考察了tDCS對成年人在4個空間頻率下的對比敏感度的影響。實驗采用被試內(nèi)設(shè)計, 26個本科生先后接受2個tDCS條件：陽極和陰極刺激條件。條件之間間隔至少48小時。結(jié)果發(fā)現(xiàn)C-tDCS提高, A-tDCS降低了空間頻率為8cpd的對比敏感度(Richard et al., 2015)。目前對于tDCS對CS調(diào)控結(jié)論不一的情況尚未有合理的解釋, 可能是因為在不同的研究中使用的電極片面積的不同, 導致相近電流強度下頭皮所承受的電流密度其實不一樣。電刺激的時長也可能是導致刺激效果差異的因素, 作用時長和效果之間也可能不是簡單的線性關(guān)系。

5 TES與視覺運動知覺(Visual Motion Perception)

視覺運動知覺(visual motion perception)是指視覺系統(tǒng)對物體運動的知覺能力。在TES對運動知覺影響的研究中, 電極刺激位置在V5或M1, 參考電極位于Cz。目前的結(jié)論主要是A-tDCS能有效增強視覺運動的信號, C-tDCS能降低信號的背景噪音的激活水平。

Antal等人(2004a)考察了tDCS對視覺-運動追蹤任務學習的影響。實驗中刺激位置在V5, M1和V1, 參考電極位于Cz。刺激條件有兩種：陽極刺激和陰性刺激。被試在接受電刺激時完成一個視覺運動的追蹤任務。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在知覺學習發(fā)生的早期階段, 只有在A-tDCS作用于V5或M1時有促進作用。C-tDCS對學習沒有影響。作用于V1腦區(qū)對這個學習任務沒有影響(Antal, Nitsche, Kincses, et al., 2004a)。Antal等人(2004b)考察了tDCS對視覺-運動追蹤任務表現(xiàn)的影響, 發(fā)現(xiàn)只有在C-tDCS作用于V5的時候, 追蹤任務的成績得到了提升, 作用于其他腦區(qū)時對任務沒有影響。另外研究者還發(fā)現(xiàn), 只有在有隨機點背景的條件下, C-tDCS作用于V5時的任務表現(xiàn)是提升的。這些結(jié)果說明V5在復雜的運動知覺中可能的重要作用, 提示C-tDCS的作用可能是降低了噪音的影響(Antal, itsche, Kruse, et al., 2004b)。Battaglini, Noventa和Casco (2017)考察了陽極和陰性tDCS作用于V5對視覺運動知覺任務的影響。實驗設(shè)計是被試間設(shè)計, 15個被試接受陰性直流電刺激, 15個被試接受陽極TDCS; 刺激位置在左側(cè)V5。結(jié)果提示陽極和陰性tDCS作用于V5時影響的是不同的兩個參數(shù)：相比虛假電刺激, C-tDCS降低了噪音激活水平, 表現(xiàn)為在低一致性水平下被試任務成績的提高, 提示A-tDCS提升的是信號的識別能力(Battaglini et al., 2017)。對于A-tDCS能夠增強視覺運動信號的結(jié)論在對枕葉病變被試的研究中得到驗證。Olma等人(2013)考察了tDCS對枕葉缺血性病變被試的視覺運動知覺的影響。電刺激條件為陽極電刺激與虛假刺激, 刺激位置為初級視覺皮層, 電流強度為1.5 mA, 刺激時間為連續(xù)5天, 每天刺激時長為20分鐘, 被試的任務是判斷兩次出現(xiàn)的隨機點運動方向是否一致。結(jié)果發(fā)現(xiàn)A-tDCS提高了病人視覺運動方向辨別的成績, 并且這種提升保持了14天甚至更長時間(Olma et al., 2013)。

6 TES與視知覺學習(Visual Perceptual Learning)

知覺學習是指由于訓練或者經(jīng)驗引起的長期而穩(wěn)定的對某些刺激的知覺能力的提升(Gibson, 1963)。視知覺學習揭示了視覺皮層擁有自發(fā)的神經(jīng)可塑性的能力, 能夠引起短期、甚至更持久的突觸連接強度的改變(Sherman & Spear, 1982)。目前TES對視覺知覺學習的研究, 主要結(jié)論是TES能夠促進知覺學習的效果, 但不同模式的影響效果不一樣。

A-tDCS能夠促進知覺學習, C-tDCS對學習沒有影響。Antal等人(2004a)考察了tDCS對視覺運動學習的影響。刺激位置是V5, 初級運動皮層(M1)和初級視覺皮層(V1)。刺激條件是陽極和陰性的tDCS。在被試完成知覺學習任務的同時接受刺激10分鐘結(jié)果發(fā)現(xiàn), 當陽極刺激于V5或者M1時, 視覺追蹤任務的學習得到了提升, 而C-tDCS對學習效果沒有作用(Antal, Nitsche, Kincses, et al.,2004a)。Sczesny-Kaiser等人(2016)考察了tDCS對正常成年人視覺知覺學習的影響同時測量了V1的興奮性。實驗是雙盲的被試內(nèi)設(shè)計, 實驗條件有陽極, 陰性和虛假刺激3個。30個成年被試在完成視覺方向辨別的學習任務時, 接受20分鐘的tDCS。4天知覺學習的前后測量配對刺激視覺誘發(fā)電位(paired stimulation-visual evoked potential, ps-VEP)和PT。結(jié)果發(fā)現(xiàn), 相比虛假刺激條件, A-tDCS促進了知覺學習, 也提高了ps-VEP, 提示A-tDCS刺激之后提高了皮層的興奮性。C-tDCS對知覺學習和PT都沒有影響(Sczesny-Kaiser et al., 2016)。

高頻段的tRNS對知覺學習有一定促進作用。Fertonani, Pirulli和Miniussi (2011)考察了不同TES模式對視知覺學習的影響。實驗是被試間的實驗設(shè)計, 正式實驗中有84個成年被試, 被分為6組。刺激位置為初級視覺皮層, 刺激條件一共6個：高頻tRNS (100~640 Hz)、低頻tRNS (0.1~100 Hz)、陽極tDCS、陰極tDCS、虛假刺激和刺激位置于Cz的高頻tRNS控制條件。結(jié)果發(fā)現(xiàn), 作用于初級視覺皮層的高頻tRNS能夠顯著提升方向辨別學習任務的表現(xiàn)(Fertonani et al., 2011)。

7 TES調(diào)控視覺功能小結(jié)

用TES直接對視覺基本功能進行調(diào)控的研究中, 不同的電刺激模式, 以及電刺激的不同參數(shù)對調(diào)控效果的影響是不一樣的(見表1)。

目前tDCS對基本視覺功能的研究相比其他電刺激模式要多, tDCS可能是以極性特異的方式調(diào)控基本視功能的。A-tDCS最初在對運動皮層的研究中發(fā)現(xiàn)能夠提高運動皮層的興奮性, 而C-tDCS能夠降低皮層興奮性, 這一結(jié)論在對初級視覺皮層的研究中也同樣適用。研究者們用A-tDCS作用于V1, 發(fā)現(xiàn)A-tDCS能夠調(diào)節(jié)TMS誘發(fā)的光幻視閾值, 促進視野損傷病人的視野恢復, 提高正常人和弱視人群的對比敏感度, 促進對刺激運動信號的識別等, 提示我們A-tDCS確實能夠某種程度上提高大腦皮層的興奮性, 而C-tDCS則降低興奮性。在部分研究中, 也有研究者發(fā)現(xiàn)了不一致的結(jié)論, 提示電流極性不是單獨起作用, 而是與電刺激所使用的電流強度和刺激時間等因素共同起作用的。在結(jié)論不一致的研究中, 電刺激時長都長于20分鐘, 提示我們在固定電流強度的情況下刺激時長不適過長, 否則有可能會對皮層產(chǎn)生損傷, 甚至得到相反的調(diào)控效果。電刺激對正常人群和弱視人群的作用效果可能是不一樣的。在指定的刺激參數(shù)條件下, 電刺激的作用次數(shù)會影響刺激的效果和維持的時間長短。在單次刺激的研究中, 很多研究沒有發(fā)現(xiàn)顯著的調(diào)控效果。考慮到大腦是一個相對穩(wěn)定的一個系統(tǒng), 可能對來自外部的微弱電流有一定的抵抗作用, 所以單次刺激有時候?qū)ζ拥恼{(diào)節(jié)作用并不能及時反映在行為的測量上。而在多次電刺激的研究中, 實驗組效果相比控制組提升很多。總體來說, 提示tDCS在起作用的參數(shù)設(shè)定下, 多次少量的電刺激對調(diào)控的效果可能比較好, 對于具體視覺功能的優(yōu)化參數(shù)有待更多這方面的研究。

tACS被認為是以頻率特定的方式調(diào)控基本視覺功能的。在過去的幾年中, 腦電圖(EEG)和腦磁圖的(MEG)記錄探討了特定頻段的神經(jīng)振蕩的功能作用。tACS在刺激期間與大腦自發(fā)的神經(jīng)振蕩產(chǎn)生交互, 通過影響神經(jīng)振蕩達到影響基本視覺功能。在對基本視覺功能的研究中, 不同頻段的tACS有不同的調(diào)控效果。在對PT的調(diào)控中, 只有20 Hz對PT有影響。在對視野缺損的恢復研究中, 5到30 Hz的rtACS的多次刺激對視野恢復有促進作用。

tACS的電流強度也關(guān)乎到對皮層振蕩的調(diào)控。Moliadze, Atalay, Antal和Paulus (2012)發(fā)現(xiàn)初級運動皮層的興奮性跟tACS電流強度之間存在非線性關(guān)系。他們利用140 Hz的tACS作用于初級運動皮層, 當電流強度為0.2 mA時對皮層是抑制的作用, 電流強度為0.6到0.8 mA沒有影響, 但電流提高到1 mA時, 發(fā)現(xiàn)tACS對皮層有興奮作用, 提示抑制和興奮神經(jīng)元對交流電有不同的敏感度。當電流在某個強度區(qū)間時, 它們之間對皮層的影響相互抵消(Moliadze, Atalay, Antal, & Paulus, 2012)。在此之前, Antal等人(2008)就結(jié)合EEG和tACS進行了研究。研究中tACS的電流強度為0.4 mA, 頻段有5個水平：1、10、15、30、45 Hz。可能由于所使用tACS的電流強度太低, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)tACS沒有引起EEG的變化(Antal et al., 2008)。

表1 TES對視覺功能的影響

注：PT, Phosphene Threshold, 光幻視閾值; VF, Visual Field, 視野; CS, Contrast Sensitivity, 對比敏感度; VMP, Visual Motion Perception, 視覺運動知覺; PL, Perceptual Learning, 知覺學習。

8 TES的生理機制

TES在不同的電流模式下, 起作用的主要參數(shù)并不一致, 對應的神經(jīng)機制可能也是不同的。

目前對TDCS的神經(jīng)生物機制已有一些初步的結(jié)論：tDCS可能與谷氨酸、γ-氨基丁酸能、多巴胺能、5-羥色胺和膽堿能活性的調(diào)節(jié)有關(guān)。從細胞水平而言, tDCS能夠引起大腦皮層的興奮性, 可能是微弱電流使得神經(jīng)元細胞極化或去極化, 即陽極電刺激使得神經(jīng)元細胞去極化, 陰極電刺激使得神經(jīng)元細胞極化(Liebetanz, Nitsche, Tergau, & Paulus, 2002)。神經(jīng)元放電閾值的改變是神經(jīng)元興奮性的改變的基礎(chǔ)。從分子水平而言, 研究發(fā)現(xiàn)阻斷鈣離子通道和鈉離子通道能消除A-tDCS的刺激效果, 而γ-氨基丁酸能激動劑和NMAD受體激動劑能夠促進A-DCS的刺激效果(Stagg & Nitsche, 2011)。NMDA受體拮抗劑則能夠消除A-tDCS和C-tDCS的刺激效果, 提示NMAD受體在tDCS效果中可能扮演重要的角色(Chaieb, Antal, & Paulus, 2015)。也有fMRI研究認為tDCS的作用可能是提高了血脈舒張的程度(Alekseichuk, Diers, Paulus, & Antal, 2016)。

對tDCS的神經(jīng)機制的研究多是來自運動皮層, 然而研究發(fā)現(xiàn), 在使用同樣刺激參數(shù)的情況下, tDCS對視覺皮層的調(diào)控作用和效果的持續(xù)時間, 與運動皮層并不完全相同(Antal, Kincses, Nitsche, Bartfai, & Paulus, 2004)。而在初級運動皮層和視覺皮層之間, 皮層連接的差異、神經(jīng)元細胞膜特性的差異、以及受體表達的差異, 都可能是引起tDCS刺激后的效應差異的因素(Medeiros et al., 2012)。

tACS主要起作用的可能是電流的頻率。由于皮層的神經(jīng)振蕩被認為跟人類的認知功能緊密關(guān)聯(lián), tACS被認為能夠通過特定頻率的交流電跟腦自發(fā)的神經(jīng)振蕩相互作用, 調(diào)節(jié)神經(jīng)自發(fā)振蕩的幅度和強度, 從而達到調(diào)控行為表現(xiàn)的目的(Zaehle, Rach, & Herrmann, 2010)。Zaehle等人(2010)利用alpha頻段的tACS作用于被試, 在刺激前后3分鐘測量每個人的離線EEG。發(fā)現(xiàn)在tACS (電流強度為1120 ± 489 μA)之后, alpha頻段的功率譜得到了顯著的提升(Zaehle et al., 2010)。之后Neuling, Rach和Herrmann (2013)重復了這個結(jié)果, 并且發(fā)現(xiàn)alpha頻段功率譜的提升在刺激結(jié)束之后至少能維持30分鐘(Neuling, Rach, & Herrmann, 2013)。

9 總結(jié)與展望

TES的優(yōu)點主要是安全和能夠主動控制皮層興奮性。第一, TES是安全的刺激技術(shù)。盡管之前有一個與tDCS相關(guān)的癲癇發(fā)作案例, 但因果關(guān)系尚未清楚。并且Liebetanz等人在2006年通過大鼠癲癇模型發(fā)現(xiàn)陽極tACS并沒有改變癲癇發(fā)作的閾值(Liebetanz et al., 2006)。而Matsumoto等人在2017年的綜述文章中總結(jié)了tACS和tDCS的副作用, 結(jié)論為在傳統(tǒng)的刺激參數(shù)下tDCS和tACS對成人和兒童, 健康被試和病人都是安全的(Matsumoto & Ugawa, 2017)。第二, TES能夠主動控制皮層興奮性。tACS為揭開皮層定位和功能之間的因果關(guān)系提供了可能性(Stonkus, Braun, Kerlin, Volberg, & Hanslmayr, 2016)。

TES的缺點在于所使用電流在作用于皮層時的空間聚焦不夠精確, 即空間分辨率低。在tDCS研究中, 電流通過頭皮到達皮層, 電流的潰散導致了空間聚焦程度的降低。針對這個問題, 已有部分研究者使用高分辨率的經(jīng)顱直流電刺激(high definition-tDCS), 即利用多個小電極片(1cm2)作用于選定區(qū)域, 提高作用電流的聚焦程度(Villamar et al., 2013)。

成年人的視覺皮層仍然具有一定的可塑性, 反映在基本視覺功能在一定程度上能夠被調(diào)控。經(jīng)顱電刺激作為一種新興的無創(chuàng)的腦皮層刺激手段, 提供了一種可能的調(diào)節(jié)視覺基本功能的手段。本文總結(jié)了關(guān)于TES調(diào)控視覺功能的研究現(xiàn)狀, 包括光幻視閾值、視野、對比敏感度、視覺運動、視知覺學習、視覺誘發(fā)電位等。

TES對視覺功能的調(diào)控有利于臨床上改善視覺功能受損的個體的加工, 這就需要在機制上和參數(shù)標準化及穩(wěn)定性(可重復性)上有突破。未來的研究需要考慮以下幾個方向：1)經(jīng)顱電刺激效果的優(yōu)化參數(shù)。如何找到最佳的參數(shù)作用于皮層, 以獲得最優(yōu)化的調(diào)控效果, 是臨床和基礎(chǔ)研究工作者都關(guān)注的問題。2)經(jīng)顱電刺激的神經(jīng)生物學基礎(chǔ)。目前我們對TES作用于人類皮層時及之后的生理變化需要更進一步的了解。

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Transcranial electrical stimulation and visual function modulation

LIN Borong1,2; HE Qing1,2; ZHAO Jin1,2; YANG Jia1,2; SHI Yingzhen1,2; YAN Fangfang1; XI Jie1; HUANG Changbing1

(1Institute of Psychology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China) (2Department of psychology of the University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Transcranial Electrical Stimulation (TES) is a non-invasive method of brain stimulation, which delivers a specific low intensity current on the scalp to modulate the activity of cortical cortex. TES is usually divided into three main types: transcranial direct current stimulation (tDCS), transcranial alternating current stimulation (tACS), and transcranial random noise stimulation (tRNS). In the current paper, we summarized the modulating effects of TES on visual phosphene threshold, visual field, contrast sensitivity, motion perception, and perceptual learning. The modulation effect varies with the type of visual functions, TES parameters, and stimulating patterns.

visual functions; transcranial direct current stimulation; transcranial alternating current stimulation; transcranial random noise stimulation; perceptual learning

2017-11-23

B845; B842

10.3724/SP.J.1042.2018.01632