經顱直流電刺激聯合認知訓練對工作記憶的影響

張彩迪, 曹歆軼, 姜麗娟, 顧楠楠, 朱智佩, 李春波,3,4,5

(1. 上海交通大學醫學院附屬精神衛生中心，上海 200030； 2. 上海市普陀區精神衛生中心，上海 200065；3. 上海交通大學心理與行為科學研究院，上海 200030； 4. 上海交通大學腦科學與技術研究中心，上海 200030；5. 中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心，上海 200030)

工作記憶(working memory, WM)是暫時存儲和管理有限信息的系統, 是成功執行復雜行為的基礎[1]。WM受損會導致日常生活活動能力下降[2]以及過度和潛在適應不良的泛化，WM受損和過度泛化又與不同形式的精神障礙有關[3]。因此，改善WM可能對相關疾病有防治作用。

提高WM的方法主要有認知訓練干預及物理刺激干預(直流電刺激等)等。近來有研究將認知訓練(cognitive training, CT)干預和經顱直流電刺激(transcranial direct current stimulation, tDCS)干預聯合使用，發現聯合訓練/刺激更有效[4]。tDCS應用與CT執行相關的時間窗對于認知干預的行為學結果有重要作用，已有研究探究了“在線”效應(在CT期間接受tDCS)和“離線”效應(在CT之前接受tDCS)[5]。但是以往研究結論不一致，Pirulli等[6]和Buchwald等[7]發現“離線”效應優于“在線”效應，而Martin等[5]和Oldrati等[8]研究結論則與之相反。本研究在以往研究基礎上進一步探究CT不同時點(前、中、后)聯合tDCS對健康年輕人WM的干預效果，為WM行為干預提供客觀依據。

1 資料與方法

1.1 一般資料

研究對象為2019年2月至2019年4月在江蘇某本科學院招募的112名健康志愿者，篩查后有105名符合入組標準并愿意參與本研究。入組標準： (1) 18～24歲在校本科生，男女不限；(2) 視力或者矯正視力正常，聽力正常，右利手；(3) 自愿參與，并簽署知情同意書。排除標準： (1) 任何神經或精神疾病；(2) 過去3個月存在物質或酒精依賴史；(3) 過去3個月頭部受傷；(4) 顱內有金屬物件或接受過顱腦手術者；(5) 其他嚴重軀體疾病，如嚴重心、肺、肝、腎功能損傷；(6) 妊娠期或哺乳期婦女；(7) 基線前30d內參加類似試驗者。本研究已獲得上海市精神衛生中心倫理委員會批準，倫理審查號為SMHC 2018-06。

1.2 樣本量

使用G-power軟件計算樣本量，采用α水準等于0.05，統計檢驗力(1-β)等于0.95，方差分析中效應值為中等的效應量(0.25)，考慮20%脫落率，得出3組樣本量共計90名，每組30名。

1.3 方法

1.3.1 研究工具 (1) 自編調查表： 收集被試一般人口學資料，主要包括性別、年齡、教育年限等。(2) 數字廣度任務[9](The Digit Span Task)： 用來測量被試的語音工作記憶，他評量表，分為順背和倒背。(3) 字母數字廣度[10](Letter-Number Span Test)： 用于評估被試的工作記憶、排序、轉換等能力，他評量表，記錄正確數和正確最長項。(4) 簡易視覺空間記憶測驗-修訂版[11](Brief Visuospatial Memory Test-Revised，BVMT-R)： 用于評估被試的視覺空間工作記憶，他評量表，分為1試、2試和3試。(5) 韋氏記憶量表第三版空間廣度測驗[15](The Third Edition of Wechsler Memory Scale-Spatial Span Test, WMS-Ⅲ SST)： 用于評估被試的視覺空間工作記憶，他評量表，分為順行和逆行。(6) 數字n-back任務[12]： 用于評估被試的工作記憶水平，計算機任務，包含1-back、2-back和3-back。

1.3.2 研究設計 本研究采用區組隨機、盲法的臨床試驗設計。區組隨機： (1) 根據研究分組確定區組大小為6，可以產生90種排列；(2) 從隨機字母中獲取隨機數字，如由附表的第5行、第3列交叉的數字開始向后獲取隨機數；(3) 采用余數法： 順序取3位隨機數字，除以90，取余數；(4)按照所得余數對應的區組排列入組，可保證各組人數相等，3組分別為訓練后刺激組(CT→tDCS)、同時進行組(CT-tDCS)和刺激后訓練組(tDCS→CT)。盲法： 隨機分組表由非研究人員進行保管，在每位被試干預前告知干預者分組信息。由非干預專業人員對被試進行評估，評估者不知分組信息。所有被試共接受2次認知評估，分別在基線及干預后即刻，評估量表均有A和B兩版(數字廣度任務、字母數字廣度，等)；而數字n-back任務是采用隨機呈現規則，即每一次具體內容不盡相同，這類任務沒有不同版本。

1.3.3 干預方法 認知訓練： 使用字母2-back工作記憶范式[13]，一系列A到J的字母被連續呈現，如果所呈現的字母與之前第2個展示的字母相同時，則受試者按F鍵，否則按J鍵。字母(從A到J)的呈現順序是隨機的。這項任務共18個區組，每個區組內30+2個試次，其中目標刺激與非目標刺激比例為1∶2。每隔2s顯示一個不同的字母，每個字母的顯示時間為500ms，刺激展示之間的延遲時間為1500ms。每6個區組休息1次，至少休息1min，總計30min左右。

經顱直流電刺激： 根據國際10～20系統進行陽極定位，采用CHATTNOOGAionto公司的tDCS設備(型號UL60601-1)實施刺激。既往研究顯示，tDCS刺激左背外側前額葉皮層(left dorsolateral prefrontal cortex, L-DLPFC)可以改善工作記憶表現[14]，故本研究陽極刺激部位選取L-DLPFC(即F3)，陰極刺激部位為右側眶上緣，采用外科用網狀頭帽對兩電極進行固定；亦有研究發現，2mA的電流強度比1mA能夠顯著提高工作記憶[15]，故本研究刺激電流強度為2mA，電極面積5cm×5cm，持續時間30min。每次干預前，使用生理鹽水對電極的海綿進行浸潤以降低電阻、減輕患者干預時頭皮刺痛感。海綿完全濕潤后，將兩個電極互相按壓以擠去多余水分。

1.4 統計學處理

結局指標為干預前后數字n-back正確率和反應時以及各量表得分的變化。本研究采用全分析集，數據雙人獨立錄入。采用SPSS 17.0統計軟件包根據數據類型及分布特點進行統計分析，計量資料用(均數±標準差)，計數資料是采用率、構成比等描述。3組一般資料計量資料采用非參數檢驗-推廣的中位數檢驗法，計數資料采用χ2檢驗；組內基線和即刻比較采用Wilcoxon配對符秩檢驗；組間增分率[計算公式： (即刻得分-基線得分)/基線得分×100%)]和減分率[計算公式： (基線得分-即刻得分)/基線得分×100%]采用非參數檢驗-推廣的中位數檢驗法。P<0.05為差異具有統計學意義。

2 結 果

2.1 3組一般資料比較

干預后無被試脫落，均參與了即刻評估，采用全分析集，最后共105例納入分析，每組35例。3組在性別、年齡、教育年限的差異均不具有統計學意義(P>0.05),見表1。

表1 3組的一般資料比較

2.2 3組干預前后得分比較

3組干預后數字順背、數字倒背、字母數字廣度正確數和最長項、視覺空間記憶、空間廣度順行、數字1-back、2-back和3-back正確率均顯著高于干預前(P<0.05)，數字1-back、2-back和3-back反應時均顯著低于干預前(P<0.05)。CT→tDCS和CT-tDCS在空間廣度逆行方面干預前后得分差異不具有統計學意義(P>0.05)，tDCS→CT在空間廣度逆行方面干預后得分顯著高于干預前，差異有統計學意義(P<0.05),見表2。

表2 3組干預前后得分比較

項目CT→tDCSCT-tDCStDCS→CT基線即刻ZP基線即刻ZP基線即刻ZP數字順背/分8.80±0.969.37±0.88-2.7460.0068.89±1.029.46±1.12-3.5220.0008.60±0.989.43±1.34-3.8990.000數字倒背/分5.54±1.486.94±1.77-4.4400.0005.91±1.507.14±1.46-3.8540.0005.69±1.557.26±1.70-4.1160.000字母數字正確數/個13.49±2.7416.63±2.53-4.6900.00014.17±2.9117.11±3.60-4.1480.00014.03±2.8117.17±3.28-4.4270.000字母數字最長項/項5.31±0.876.09±0.74-3.5840.0005.66±0.736.20±0.80-3.2880.0015.54±0.786.11±0.96-3.0910.002視覺空間記憶/分29.29±4.2131.34±3.21-2.9650.00329.94±3.5032.26±2.28-4.1460.00029.09±4.1531.60±3.00-3.1460.002空間廣度順行/分5.14±1.095.86±0.97-2.8170.0055.11±1.325.71±1.10-2.5480.0115.09±1.275.86±1.09-3.1150.002空間廣度逆行/分4.60±1.124.97±1.36-1.5680.1174.91±0.785.14±1.03-1.1480.2514.20±1.054.97±0.99-3.2900.0011-back正確率(%)92.70±5.7596.10±2.96-3.0580.00293.51±3.5996.73±2.25-4.4960.00091.97±6.9296.51±3.84-3.9250.0001-back反應時/s586.68±110.04529.60±121.73-4.4220.000545.76±99.22502.25±88.93-3.5870.001573.33±109.72504.60±96.08-4.2590.0002-back正確率(%)80.33±7.8688.19±7.80-4.6460.00083.31±9.8790.89±4.89-4.8080.00084.33±5.6690.98±5.67-4.6950.0002-back反應時/s697.70±201.43561.41±144.94-4.7340.000686.40±167.67554.58±136.64-4.9790.000710.40±190.38548.21±122.14-5.0940.0003-back正確率(%)71.46±10.4277.02±11.17-2.7110.00774.90±10.7578.16±11.39-2.5330.01175.02±11.4981.08±9.74-3.4460.0013-back反應時/s668.92±187.87579.09±158.19-3.9970.000669.53±195.44579.08±153.95-4.1930.000654.40±168.44576.14±158.83-3.6030.000

2.3 3組干預后的增分/減分率比較

3組干預后數字順背、數字倒背、字母數字廣度正確數和最長項、視覺空間記憶、空間廣度順行和逆行、數字1-back、2-back和3-back正確率的增分率和數字1-back、2-back和3-back反應時減分率差異均無統計學意義(P>0.05),見表3。

表3 3組干預后的增分/減分率比較

3 討 論

針對WM的行為干預以CT為主，CT可以誘導神經遞質系統和認知網絡的變化，以往研究結果顯示訓練可以改變前額葉皮質中D1受體密度和增加紋狀體中多巴胺的釋放，有效地提升WM[16]。除了行為干預外，非侵入性腦刺激技術，包括tDCS[17]、經顱交流電刺激(transcranial alternating current stimu-lation, tACS)[18]、經顱磁刺激(transcranial magnetic stimulation, TMS)[19]已成為提升健康人群和精神障礙患者WM能力的有效工具。其中，tDCS是一種非侵入性、安全的腦刺激，是利用恒定低強度直流電調節大腦皮層神經元活動及興奮性的技術[20]。tDCS機制可能是通過作用于頭皮的低于動作電位誘導閾值的直流電來改變膜極化和突觸可塑性，進而導致神經元興奮性的變化，使得特定區域內的自發神經活動得到增強或抑制，但其確切機制目前尚未明確。國外以往研究多把單獨的干預方式與訓練刺激同時進行的干預方式作對比[4]，國內還未有相關研究，本研究在以往有關CT同時聯合tDCS干預后健康成年人WM改善的行為學研究基礎上[21]，深入地探索兩者聯合干預的最佳優化方式。

本研究發現，除了空間廣度逆行得分外，三種聯合方式干預后得分較干預前均有顯著改善。其一，在CT同時接受tDCS可有效提高WM，這與Andrews等[4]的研究結果一致；與休息期接受tDCS和n-back任務期接受偽刺激相比，在完成n-back任務期間接受tDCS可以有效地提升WM。Ruf等[22]和Talsma等[23]也發現與在訓練期間接受偽刺激相比，在訓練期間接受tDCS會出現更明顯的WM改善。其二，在CT前接受tDCS可有效提高WM，這與Pirulli等[6]的結果相似，在執行視覺感知任務之前接受初級視覺皮層tDCS比在任務期間接受tDCS誘導神經調節的效果更佳。其三，在CT后接受tDCS可以有效地提升WM，這可能是因為CT改變了前額葉皮質中受體密度并增加了紋狀體中多巴胺的釋放，使tDCS增強了神經元興奮性和背外側前額葉區域內的自發神經活動，進而提升可WM。目前并未有相關研究，有待進一步驗證。CT→tDCS和CT-tDCS干預前后在空間廣度逆行方面得分差異不具有統計學意義，這可能是因為： 一方面基線存在一定異質性，3組空間廣度逆行基線得分差異雖不具有統計學意義，但是CT→tDCS和tDCS→CT得分均高于CT-tDCS，且有研究發現認知水平越低干預效果越佳，反之干預效果越差[24]。另一方面視覺空間記憶是未經過訓練的任務，屬于遷移效應，這一結果與Trumbo等[25]研究結論一致。

本研究中，3組不同干預設置效果差異不具有統計學意義，即3種干預效果無優劣之分。以往研究顯示物理刺激可以通過調節訓練引起的神經活動，具體為通過促進認知過程的內源性神經元激活來產生累積改善效應[26]。而tDCS干預結果之所以存在異質性是因為采用的刺激設置不同，具體而言，tDCS與訓練任務執行相關的時間窗口已被確定為影響刺激干預結果的因素[27]。以往研究顯示訓練執行期間(在線)應用tDCS和在訓練執行之前(離線)應用tDCS均可以改善認知表現，但是在線條件下的改善程度更大[5,8]。本研究之所以沒有明顯差異，這可能是因為： 樣本量偏小以及干預設置數量偏少。

本研究的局限性： 首先，樣本量偏小；第二，本研究僅觀察單次CT和單次tDCS不同時點組合的干預效果，干預負荷量小可能導致療效組間差異不明顯；第三，在前人有效性結果的基礎上開展，并未設置對照組，可能會混入練習效應；第四，只有單一的行為學結果，并未采集生理指標等。

因此，未來需要更大樣本量、更長干預時程、設置安慰劑對照組的研究來進一步驗證本研究結論。本研究所用tDCS參數來自既往報道參數，未來研究可以嘗試使用腦電、TMS等引導下的個體化參數以及新型刺激方式等以獲得更顯著的認知改善效果[28]。再者，未來研究可利用神經影像技術進一步探討神經腦網絡的變化及其與tDCS聯合認知訓練期間行為結果的關系，尤其是基線神經活動特征對干預效果的影響。