前額葉Gamma頻段tACS對工作記憶影響的研究

孫風哲, 楊碩*, 韓雪, 王磊

(1.河北省生物電工與智能健康重點實驗室, 天津 300130; 2.河北工業大學生命科學與健康工程學院, 天津 300130)

如今,科技的飛速發展以及飛快的生活節奏導致人們的工作方式發生顯著變化,使得人類的大部分工作偏向腦部,然而這樣長時間的腦力工作使得致精神壓力越來越大。對于個體而言,如果長期處于精神壓力過大的狀態,不僅會讓學習、記憶和注意等性能下降,還會產生其他腦類疾病,而如果大腦已經產病變,腦電無疑是反映大腦病變的參數之一。孫金秀等[1]研究發現,孤獨癥兒童靜息態腦電的Gamma頻段腦網絡聯系低于正常人,說明了在進行正常認知活動時,如果腦內產生病變,就會導致相關腦電成分聯系的減少。因此如何對大腦狀態與功能進行神經調控是神經科學的研究熱點[2]。

神經調控是指通過侵入性或非侵入性技術,使用聲、光、電、磁等物理性手段改變神經信號的傳遞,調節神經元及其所在神經網絡活動性,最終引起特定腦功能改變的生物醫學工程技術。神經調控技術既是治療神經系統疾病的有效手段,又是研究神經環路、解析腦功能的重要工具[3]。

其中,經顱交流電刺激(transcranial alternating current stimulation, tACS)作為外界可控刺激之一較早地進入醫療領域和康復領域來治療腦部疾病與各種精神障礙,由于頭皮電刺激具有無創性、花費少等特點,從而被人們所熟知并加以運用。近年來,隨著對經顱電刺激研究的進一步深入,經顱電刺激被廣泛應用于對大腦認知活動的改善以及對阿爾茨海默病[4]等一些腦部疾病的治療。其中,通過對經顱交流電刺激的研究發現,Gamma頻段的交流電刺激對于大腦認知活動的改善較其他頻率電刺激的效果更明顯。張學軍等[5]通過技能學習與鞏固實驗證明了外界Gamma頻段交流電刺激對于一般運動技能(general motor skill, GMS)和序列特異性技能(sequence-specific skill, SS)有明顯的改善效果。Kim等[6]通過Gamma頻段交流電刺激刺激后,觀察到了腦內的神經元含量發生變化,從而在一定程度上證實了外界的刺激對于大腦的某些認知功和功能性結構確實有改善作用。隨著實驗的深入,發現Gamma頻段tACS對于阿爾茨海默病患者有一定的療效。Giustiniani等[7]通過使用Gamma tACS對阿爾茨海默病患者進行刺激時發現,電刺激可以有效地提高一定的認知能力并使得腦內淀粉樣蛋白的含量顯著降低。

大量研究證明,40 Hz tACS可以引起腦電工作記憶的增強作用。Giustiniani等[8]通過40 Hz tACS對任務態的大腦進行電刺激時,發現對于序列反應時任務能明顯的增長響應時間。隨著時代的發展,越來越多的科學家發現使用40 Hz tACS在不同功能性腦區上產生的效果也不盡相同。在運動皮層方面,Guerra等[9]卻得出與之相反的結果,即在運動皮層,年輕人提升的效果要高于老年人。

基于現有研究并結合實際問題,同時為了探究tACS技術對大腦工作記憶能力的影響,設計工作記憶任務實驗,并使用40 Hz tACS,通過分析兩種刺激模式后工作記憶任務行為數據與腦電數據的變化,以期望探究tACS對于大腦工作記憶任務的正向調節作用。

1 實驗設計

1.1 實驗流程

本次實驗采用隨機雙盲實驗設計,并將實驗分為兩組,分別為偽刺激組和刺激組,實驗之間間隔一周,以保證電刺激效應和工作記憶效應消失。在正式實驗開始前一周,實驗人員詢問被試年齡與性別并記錄,然后向被試介紹實驗流程、實驗目的,并使被試提前感受電刺激,調整好電刺激參數并告知電刺激相關副作用。按照實驗設計流程,首先進行任務測試,目的是使得被試熟悉任務相關操作,然后正式實驗。每組實驗首先采集被試靜息態腦電,然后對其進行tACS,結束后即刻進行任務。采集任務將在15 min內完成,以保證電刺激相關效應不會消失以及腦疲勞效應不會出現,采集任務完成后再采集被試的靜息腦電(圖1)。

圖1 實驗流程圖及任務流程圖Fig.1 Picture of experimental process &picture of task process

1.2 被試選取

本實驗共選取34名被試,全部為在校大學生,年齡在19～26歲,其中男性被試19人,年齡為21.94±2.91歲,女性被試15人,年齡為(21.53±1.98)歲,且全部為右利手。所有被試均視力正常或矯正視力正常,所有被試無精神類疾病史或腦部外傷史。實驗過程中執行的所有程序均符合機構或國家研究委員會的倫理標準以及1964年赫爾辛基宣言及其后修正案或類似的道德標準。

1.3 刺激類型

實驗采用的電刺激儀器是來自德國的neuroConn經顱交直流電刺激儀,接觸大腦頭皮的電極是兩片直徑3 cm圓形凝膠電極片。電流參數為1 000 μA,頻率參數為40 Hz,波形為正弦交流波形[10]。正式實驗開始時,刺激組刺激時間為30 min;偽刺激組總刺激時間是30 min,前30 s為刺激時間,所有刺激在開始和結束期間有10 s的淡入/淡出時間。刺激位置根據國際臨床神經電生理聯盟(International Federation of Clinical Neurophysiology, IFCN)腦電圖電極安放標準指南(2017)中的10-20系統確定為FP1和FP2。兩次實驗盡量在相同時間段進行,保證被試在前后兩次實驗中保持相同的狀態。

1.4 實驗范式

實驗選用的范式為修改后的色塊延遲匹配任務[11],通過添加空間位置因素,增加了任務難度(圖2)。每次實驗被試需要觀察40組圖片,其中前20組為三色塊記憶任務,后20組為四色塊記憶任務,每組圖片兩張,一張用于記憶,一張用于判斷。被試在加號圖片出現后做好準備,700 ms后出現需要記憶的圖片,觀察時間為1 000 ms,隨后保持記憶4 000 ms并緊盯屏幕,最后出現需要判斷的圖片,此時圖片上只有一個色塊,被試需要判斷此色塊與記憶圖片中的某個色塊的顏色和位置完全一致,完全一致時按左鍵,反之則按右鍵,判斷時間為2 000 ms,隨后進入下一個記憶判斷周期,直至整個實驗結束。

圖2 實驗設計圖Fig.2 Figure of experimental process

2 行為學數據分析

本實驗行為學數據使用E-prime3.0軟件進行采集,并使用SPSS-26.0軟件對其進行處理,對施加刺激和偽刺激被試的反應時間與正確率進行獨立樣本t檢驗分析,分析其變化情況,顯著性概率P<0.05認為具有統計學差異。

針對兩種刺激狀態以及不同任務量兩個維度分析數據,因此可以將正確率(記為Acc)與反應時間(記為RT)的數據按照刺激類型、任務量進行分組,兩兩進行獨立樣本t檢驗分析,可得正確率在兩種刺激狀態間有顯著性差異,且隨著任務量的提升,顯著性變得明顯,如圖3所示。可得三色塊數據分析結果與(F=10.865,t=2.202,P=0.035<0.05)與四色塊數據分析結果(F=6.039,t=2.597,P=0.014<0.05),其中,F為萊文方差等同性檢驗F值,t為獨立樣本t檢驗中的t值。而在同刺激條件下,色塊任務之間的正確率無顯著性區別(圖4)。而在反應時間上,經過獨立樣本t檢驗分析,發現無論是在兩種刺激狀態下還是在兩種任務量狀態下,均無顯著性差異(圖5、圖6)。

圖3 基于刺激類型的數據顯著性分析(正確率)Fig.3 Significance data analysis based on stimulus (Acc)

圖4 基于任務量的數據顯著性分析(正確率)Fig.4 Significance data analysis based on tasks (Acc)

圖5 基于刺激類型的數據顯著性分析(反應時間)Fig.5 Significance data analysis based on stimulu (RT)

圖6 基于任務量的數據顯著性分析(反應時間)Fig.6 Significance data analysis based on tasks (RT)

綜上,通過行為學數據結果分析,說明了使用tACS刺激大腦后,主要對工作記憶中的信息處理能力產生了正向影響,而對于反應能力如反應時間并未產生明顯的影響。

3 基于事件相關電位P3成分的數據分析

3.1 事件相關電位及其P3成分

事件相關電位(event-related potential, ERP),是指大腦在收到外來刺激時,神經活動與心理事件兩者之間有了鎖時相關性,且對于大腦的某些潛伏期很長的響應更為明顯,反映了大腦對心理活動或外界刺激的處理。其中,P300(簡稱P3)是一個波形明顯且時間跨度較長的正向波,屬于ERP晚成分。經過長期的研究,P3與許多認知功能都有聯系,除此以外,它的波幅還受到刺激概率、任務復雜度的影響,因此也導致了P3誘發實驗結論的差異性。

3.2 P3a成分及其結果分析

P3a成分由Polich[12]提出,是ERP中P3成分的重要組成, 潛伏期在280～380 ms,主要分布于額葉區,對新異刺激反應明顯。

將34個被試的ERP數據進行疊加平均,得到4種條件下的P3a成分幅值圖(圖7)與地形圖(圖8)。可以看出,在偽刺激條件下P3a成分的平均幅值要高于刺激組的平均幅值,將額頂區導聯平均幅值進行獨立樣本t檢驗顯著性分析,P<0.05認為具有統計學差異。

圖7 Fz導聯兩種刺激后的ERP幅值 Fig.7 Amplitude of ERP in Fz after two stimulus

圖8 不同條件下P3a平均幅值分布地形圖Fig.8 Topographic maps of the average amplitude of P3a under different conditions

分析發現,在刺激條件下,三色塊任務中的P3a成分的平均幅值顯著性降低,而在四色塊任務中降低不明顯,如圖9所示(三色塊:F=15.798,t=-2.843,P=0.010<0.05; 四色塊:F=1.614,t=-1.315,P=0.248>0.05)。這與Wischnewski等[13]的研究結果類似,對于同一任務,新手在兩組不同刺激中P3a成分降幅顯著,而專業人員降幅不明顯。因此,可將三色塊任務視作被試新手期間任務,而到了四色塊則視為專業期間的任務,從而降幅相較于三色塊任務當中的P3a成分幅值不明顯。

*表示有顯著性差異圖9 Fz導聯ERP顯著性Fig.9 Significance of ERP amplitude in Fz

3.3 P3b成分及其結果分析

P3b成分[12]是ERP中P3成分的另一個重要組成,潛伏期在400～600 ms,主要分布在頂葉,與認知加工有關,主要功能是將當前刺激與記憶表征進行比較,是一種目標驅動的認知加工過程,因此P3b成分在任務量較大的目標刺激中幅值較高。

將34個被試的ERP數據進行疊加平均得到P3a成分幅值圖(圖10)與地形圖(圖11)。可以看出,在偽刺激條件下P3b成分的平均幅值要低于刺激組的平均幅值,且主要集中于額頂葉,將額頂區導聯平均幅值進行獨立樣本t檢驗顯著性分析,P<0.05認為具有統計學差異。在刺激條件下,四色塊任務中的P3b成分的平均幅值顯著性提高,而在三色塊任務中提高不明顯,如圖12所示,(三色塊:F=11.213,t=1.082,P=0.292>0.05; 四色塊:F=0.329,t=2.721,P=0.027<0.05)。表明P3b成分在任務量多、注意力相對集中的任務中,P3b成分的平均幅值會顯著提升。

圖10 Cz導聯兩種刺激后的ERP幅值Fig.10 Amplitude of ERP in Cz after two stimulus

圖11 不同條件下P3b平均幅值分布地形圖Fig.11 Topographic maps of the average amplitude of P3b under different conditions

*表示有顯著性差異圖12 Cz導聯ERP顯著性Fig.12 Significance of ERP amplitude in Cz

4 基于相位幅值耦合的數據分析

4.1 平均路徑長度

平均路徑長度(mean vector length, MVL)由Canolty等[14]提出,是計算相位幅值耦合的方法之一,主要步驟如下:先將信號分別進行濾波,分為低通濾波和高通濾波,然后從低通濾波后的信號中獲得相角,從高通濾波后的信號中提取幅值后歸一化,并將信號鋪展在復平面上,當信號在一定相角的范圍中有較大的幅值時,進而可以計算出較大的耦合值,否則會因為相角的關系導致幅值互相抵消,使得耦合值很小或不存在,因此可得

(1)

式(1)中:t為時間;n為數據總量;at為t時刻歸一化后的幅值,at∈[0,1];θ為t時刻相位角。

將34名被試的每一導聯數據進行相位幅值耦合分析,得到兩種刺激狀態下的相位幅值耦合圖(圖13),可以看出,兩種刺激狀態下theta-gamma相位幅值耦合值較為明顯,這是由工作記憶任務所導致,且電刺激后的耦合值相較于偽刺激后的耦合值明顯。將所有導聯進行獨立樣本t檢驗顯著性分析,并選取額頂區導聯分析數據,顯著性概率P<0.05認為具有統計學差異。從表1中數據可以看出,頂葉導聯有顯著性,而在額葉的顯著性不明顯。

表1 MVL相位幅值耦合顯著性

圖13 Cz導聯相位幅值耦合圖Fig.13 Phase amplitude coupling diagram of Cz

圖13中,除theta頻段外,alpha頻段與gamma頻段也有很高的耦合值,這主要是由于實驗任務為視覺任務,需要高度的注意力,而alpha頻段負責注意力[15-17],因此使得alpha-gamma的耦合值也相對較高,但無顯著性差異。

4.2 基于KL距離的調制指數

(2)

(3)

KL(U,X)=lgN-H(p)

(4)

(5)

將34名被試的每一導聯數據進行相位幅值耦合分析,得到兩種刺激狀態下的相位幅值耦合圖(圖14),與平均路徑長度計算的結果類似,可以看出,在theta-gamma與alpha-gamma耦合結果明顯。將所有導聯進行獨立樣本t檢驗顯著性分析,并選取額頂區導聯數據分析,如表2所示,顯著性概率P<0.05認為具有統計學差異。從表2可以看出,頂葉導聯有顯著性,與平均路徑長度結果不同的是,額葉區Fz電極也表現出了顯著性,主要原因就是KLMI算法通過計算與均勻分布的差值來計算耦合值,因此耦合頻段的位置較為精準,抗數據干擾能力較強,從而導致額頂葉區導聯的顯著性均優于平均路徑長度算法得出的耦合值。

表2 KLMI相位幅值耦合顯著

圖14 Cz導聯相位幅值耦合圖Fig.14 Phase amplitude coupling diagram of Cz

5 結論

(1)使用40 Hz的tACS對大腦進行刺激,在刺激后通過分析工作記憶任務的行為學數據與腦電數據,從而可以得出在使用tACS后,行為學表現為工作記憶任務的正確率有顯著提升。腦電數據分析結果表明,腦電ERP的P3子成分在不同階段反映出的幅值變化,也說明了電刺激后大腦在處理不同難度任務量時,腦區之間的聯系以及腦區自身功能的變化。從而導致了行為學數據的差異。

(2)相位耦合分析表明,在theta頻段與40～60 Hz的Gamma頻段耦合值顯著提升,表明使用40 Hz tACS確實對大腦產生正向調控效果,使之能通過增加頻段之間的耦合聯系來增強大腦對于信息的處理,幫助大腦能更正確的處理任務量更復雜的信息,外在表現為行為學數據中正確率有顯著差異,而反應時間數據差異不明顯。

(3)本次試驗對象為年輕人,因此,關于經顱交流電刺激的實驗群體應在未來的研究中逐步過渡到老年人,繼續討論關于老年人的工作記憶退化問題。