经颅直流电刺激联合认知训练对工作记忆的影响

张彩迪, 曹歆轶, 姜丽娟, 顾楠楠, 朱智佩, 李春波,3,4,5

(1. 上海交通大学医学院附属精神卫生中心，上海 200030； 2. 上海市普陀区精神卫生中心，上海 200065；3. 上海交通大学心理与行为科学研究院，上海 200030； 4. 上海交通大学脑科学与技术研究中心，上海 200030；5. 中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心，上海 200030)

工作记忆(working memory, WM)是暂时存储和管理有限信息的系统, 是成功执行复杂行为的基础[1]。WM受损会导致日常生活活动能力下降[2]以及过度和潜在适应不良的泛化，WM受损和过度泛化又与不同形式的精神障碍有关[3]。因此，改善WM可能对相关疾病有防治作用。

提高WM的方法主要有认知训练干预及物理刺激干预(直流电刺激等)等。近来有研究将认知训练(cognitive training, CT)干预和经颅直流电刺激(transcranial direct current stimulation, tDCS)干预联合使用，发现联合训练/刺激更有效[4]。tDCS应用与CT执行相关的时间窗对于认知干预的行为学结果有重要作用，已有研究探究了“在线”效应(在CT期间接受tDCS)和“离线”效应(在CT之前接受tDCS)[5]。但是以往研究结论不一致，Pirulli等[6]和Buchwald等[7]发现“离线”效应优于“在线”效应，而Martin等[5]和Oldrati等[8]研究结论则与之相反。本研究在以往研究基础上进一步探究CT不同时点(前、中、后)联合tDCS对健康年轻人WM的干预效果，为WM行为干预提供客观依据。

1 资料与方法

1.1 一般资料

研究对象为2019年2月至2019年4月在江苏某本科学院招募的112名健康志愿者，筛查后有105名符合入组标准并愿意参与本研究。入组标准： (1) 18～24岁在校本科生，男女不限；(2) 视力或者矫正视力正常，听力正常，右利手；(3) 自愿参与，并签署知情同意书。排除标准： (1) 任何神经或精神疾病；(2) 过去3个月存在物质或酒精依赖史；(3) 过去3个月头部受伤；(4) 颅内有金属物件或接受过颅脑手术者；(5) 其他严重躯体疾病，如严重心、肺、肝、肾功能损伤；(6) 妊娠期或哺乳期妇女；(7) 基线前30d内参加类似试验者。本研究已获得上海市精神卫生中心伦理委员会批准，伦理审查号为SMHC 2018-06。

1.2 样本量

使用G-power软件计算样本量，采用α水准等于0.05，统计检验力(1-β)等于0.95，方差分析中效应值为中等的效应量(0.25)，考虑20%脱落率，得出3组样本量共计90名，每组30名。

1.3 方法

1.3.1 研究工具 (1) 自编调查表： 收集被试一般人口学资料，主要包括性别、年龄、教育年限等。(2) 数字广度任务[9](The Digit Span Task)： 用来测量被试的语音工作记忆，他评量表，分为顺背和倒背。(3) 字母数字广度[10](Letter-Number Span Test)： 用于评估被试的工作记忆、排序、转换等能力，他评量表，记录正确数和正确最长项。(4) 简易视觉空间记忆测验-修订版[11](Brief Visuospatial Memory Test-Revised，BVMT-R)： 用于评估被试的视觉空间工作记忆，他评量表，分为1试、2试和3试。(5) 韦氏记忆量表第三版空间广度测验[15](The Third Edition of Wechsler Memory Scale-Spatial Span Test, WMS-Ⅲ SST)： 用于评估被试的视觉空间工作记忆，他评量表，分为顺行和逆行。(6) 数字n-back任务[12]： 用于评估被试的工作记忆水平，计算机任务，包含1-back、2-back和3-back。

1.3.2 研究设计 本研究采用区组随机、盲法的临床试验设计。区组随机： (1) 根据研究分组确定区组大小为6，可以产生90种排列；(2) 从随机字母中获取随机数字，如由附表的第5行、第3列交叉的数字开始向后获取随机数；(3) 采用余数法： 顺序取3位随机数字，除以90，取余数；(4)按照所得余数对应的区组排列入组，可保证各组人数相等，3组分别为训练后刺激组(CT→tDCS)、同时进行组(CT-tDCS)和刺激后训练组(tDCS→CT)。盲法： 随机分组表由非研究人员进行保管，在每位被试干预前告知干预者分组信息。由非干预专业人员对被试进行评估，评估者不知分组信息。所有被试共接受2次认知评估，分别在基线及干预后即刻，评估量表均有A和B两版(数字广度任务、字母数字广度，等)；而数字n-back任务是采用随机呈现规则，即每一次具体内容不尽相同，这类任务没有不同版本。

1.3.3 干预方法 认知训练： 使用字母2-back工作记忆范式[13]，一系列A到J的字母被连续呈现，如果所呈现的字母与之前第2个展示的字母相同时，则受试者按F键，否则按J键。字母(从A到J)的呈现顺序是随机的。这项任务共18个区组，每个区组内30+2个试次，其中目标刺激与非目标刺激比例为1∶2。每隔2s显示一个不同的字母，每个字母的显示时间为500ms，刺激展示之间的延迟时间为1500ms。每6个区组休息1次，至少休息1min，总计30min左右。

经颅直流电刺激： 根据国际10～20系统进行阳极定位，采用CHATTNOOGAionto公司的tDCS设备(型号UL60601-1)实施刺激。既往研究显示，tDCS刺激左背外侧前额叶皮层(left dorsolateral prefrontal cortex, L-DLPFC)可以改善工作记忆表现[14]，故本研究阳极刺激部位选取L-DLPFC(即F3)，阴极刺激部位为右侧眶上缘，采用外科用网状头帽对两电极进行固定；亦有研究发现，2mA的电流强度比1mA能够显著提高工作记忆[15]，故本研究刺激电流强度为2mA，电极面积5cm×5cm，持续时间30min。每次干预前，使用生理盐水对电极的海绵进行浸润以降低电阻、减轻患者干预时头皮刺痛感。海绵完全湿润后，将两个电极互相按压以挤去多余水分。

1.4 统计学处理

结局指标为干预前后数字n-back正确率和反应时以及各量表得分的变化。本研究采用全分析集，数据双人独立录入。采用SPSS 17.0统计软件包根据数据类型及分布特点进行统计分析，计量资料用(均数±标准差)，计数资料是采用率、构成比等描述。3组一般资料计量资料采用非参数检验-推广的中位数检验法，计数资料采用χ2检验；组内基线和即刻比较采用Wilcoxon配对符秩检验；组间增分率[计算公式： (即刻得分-基线得分)/基线得分×100%)]和减分率[计算公式： (基线得分-即刻得分)/基线得分×100%]采用非参数检验-推广的中位数检验法。P<0.05为差异具有统计学意义。

2 结 果

2.1 3组一般资料比较

干预后无被试脱落，均参与了即刻评估，采用全分析集，最后共105例纳入分析，每组35例。3组在性别、年龄、教育年限的差异均不具有统计学意义(P>0.05),见表1。

表1 3组的一般资料比较

2.2 3组干预前后得分比较

3组干预后数字顺背、数字倒背、字母数字广度正确数和最长项、视觉空间记忆、空间广度顺行、数字1-back、2-back和3-back正确率均显著高于干预前(P<0.05)，数字1-back、2-back和3-back反应时均显著低于干预前(P<0.05)。CT→tDCS和CT-tDCS在空间广度逆行方面干预前后得分差异不具有统计学意义(P>0.05)，tDCS→CT在空间广度逆行方面干预后得分显著高于干预前，差异有统计学意义(P<0.05),见表2。

表2 3组干预前后得分比较

项目CT→tDCSCT-tDCStDCS→CT基线即刻ZP基线即刻ZP基线即刻ZP数字顺背/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数字倒背/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字母数字正确数/个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字母数字最长项/项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视觉空间记忆/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空间广度顺行/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空间广度逆行/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正确率(%)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反应时/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正确率(%)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反应时/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正确率(%)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反应时/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组干预后的增分/减分率比较

3组干预后数字顺背、数字倒背、字母数字广度正确数和最长项、视觉空间记忆、空间广度顺行和逆行、数字1-back、2-back和3-back正确率的增分率和数字1-back、2-back和3-back反应时减分率差异均无统计学意义(P>0.05),见表3。

表3 3组干预后的增分/减分率比较

3 讨 论

针对WM的行为干预以CT为主，CT可以诱导神经递质系统和认知网络的变化，以往研究结果显示训练可以改变前额叶皮质中D1受体密度和增加纹状体中多巴胺的释放，有效地提升WM[16]。除了行为干预外，非侵入性脑刺激技术，包括tDCS[17]、经颅交流电刺激(transcranial alternating current stimu-lation, tACS)[18]、经颅磁刺激(transcranial magnetic stimulation, TMS)[19]已成为提升健康人群和精神障碍患者WM能力的有效工具。其中，tDCS是一种非侵入性、安全的脑刺激，是利用恒定低强度直流电调节大脑皮层神经元活动及兴奋性的技术[20]。tDCS机制可能是通过作用于头皮的低于动作电位诱导阈值的直流电来改变膜极化和突触可塑性，进而导致神经元兴奋性的变化，使得特定区域内的自发神经活动得到增强或抑制，但其确切机制目前尚未明确。国外以往研究多把单独的干预方式与训练刺激同时进行的干预方式作对比[4]，国内还未有相关研究，本研究在以往有关CT同时联合tDCS干预后健康成年人WM改善的行为学研究基础上[21]，深入地探索两者联合干预的最佳优化方式。

本研究发现，除了空间广度逆行得分外，三种联合方式干预后得分较干预前均有显著改善。其一，在CT同时接受tDCS可有效提高WM，这与Andrews等[4]的研究结果一致；与休息期接受tDCS和n-back任务期接受伪刺激相比，在完成n-back任务期间接受tDCS可以有效地提升WM。Ruf等[22]和Talsma等[23]也发现与在训练期间接受伪刺激相比，在训练期间接受tDCS会出现更明显的WM改善。其二，在CT前接受tDCS可有效提高WM，这与Pirulli等[6]的结果相似，在执行视觉感知任务之前接受初级视觉皮层tDCS比在任务期间接受tDCS诱导神经调节的效果更佳。其三，在CT后接受tDCS可以有效地提升WM，这可能是因为CT改变了前额叶皮质中受体密度并增加了纹状体中多巴胺的释放，使tDCS增强了神经元兴奋性和背外侧前额叶区域内的自发神经活动，进而提升可WM。目前并未有相关研究，有待进一步验证。CT→tDCS和CT-tDCS干预前后在空间广度逆行方面得分差异不具有统计学意义，这可能是因为： 一方面基线存在一定异质性，3组空间广度逆行基线得分差异虽不具有统计学意义，但是CT→tDCS和tDCS→CT得分均高于CT-tDCS，且有研究发现认知水平越低干预效果越佳，反之干预效果越差[24]。另一方面视觉空间记忆是未经过训练的任务，属于迁移效应，这一结果与Trumbo等[25]研究结论一致。

本研究中，3组不同干预设置效果差异不具有统计学意义，即3种干预效果无优劣之分。以往研究显示物理刺激可以通过调节训练引起的神经活动，具体为通过促进认知过程的内源性神经元激活来产生累积改善效应[26]。而tDCS干预结果之所以存在异质性是因为采用的刺激设置不同，具体而言，tDCS与训练任务执行相关的时间窗口已被确定为影响刺激干预结果的因素[27]。以往研究显示训练执行期间(在线)应用tDCS和在训练执行之前(离线)应用tDCS均可以改善认知表现，但是在线条件下的改善程度更大[5,8]。本研究之所以没有明显差异，这可能是因为： 样本量偏小以及干预设置数量偏少。

本研究的局限性： 首先，样本量偏小；第二，本研究仅观察单次CT和单次tDCS不同时点组合的干预效果，干预负荷量小可能导致疗效组间差异不明显；第三，在前人有效性结果的基础上开展，并未设置对照组，可能会混入练习效应；第四，只有单一的行为学结果，并未采集生理指标等。

因此，未来需要更大样本量、更长干预时程、设置安慰剂对照组的研究来进一步验证本研究结论。本研究所用tDCS参数来自既往报道参数，未来研究可以尝试使用脑电、TMS等引导下的个体化参数以及新型刺激方式等以获得更显著的认知改善效果[28]。再者，未来研究可利用神经影像技术进一步探讨神经脑网络的变化及其与tDCS联合认知训练期间行为结果的关系，尤其是基线神经活动特征对干预效果的影响。