节律性经颅交流电刺激对运动序列学习能力的影响

魏泽，许敏鹏,2，明东,2，穆思雨

1.天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津市 300072；2.天津大学医学工程与转化医学研究院，天津市300072

运动学习是一种基于新异经验或练习，以获得复杂运动能力或环境适应能力的过程。运动学习初期主要是运动技能的获得，经过后期熟练巩固，最终实现运动记忆的转化[1]。训练相关的神经可塑性变化在运动学习初期就已经存在，主要发生在初级运动皮层(primary motor cortex,M1)、功能相关皮质区域以及皮下区域组成的运动功能网络[2]。脑电α (8～12 Hz)和β频段(13～30 Hz)存在同步性神经振荡活动，且该频段振荡活动可诱发大脑皮层的神经可塑性变化，进而促进运动学习能力[3]。α 和β 频段对运动控制的模式不同，α 频段的同步性振荡活动与人的自发性运动控制相关，β频段则与运动控制的学习过程相关[4]，如运动序列学习任务。

序列反应时任务(serial reaction time task,SRTT)是研究运动学习能力的经典实验范式，它观察一段时间内运动学习能力的变化[4]。Giovannella等[5]发现，经颅直流电刺激(transcranial direct current stimulation,tDCS)可以缩短SRTT 的反应时。tDCS 的作用机制为以恒定弱电流调节神经元静息膜电位和/或突触活性，以极性依赖的方式调节皮质兴奋性[6]。经颅交流电刺激(transcranial alternating current stimulation,tACS)确切的作用机制尚不清楚，可能在刺激期间引起大脑内源性神经振荡[7]，也可能在持续刺激停止后引起神经可塑性变化[8]；tACS 可能在紊乱性脑电节律相关疾病的治疗有巨大潜力[9-11]。目前广泛接受的tACS 调节认知功能的机制为频率跟随响应(frequency following response,FFR)[12]和脉冲时间依赖的可塑性(spike time dependent plasticity,STDP)[13-14]。前者为大脑皮层受到外界刺激时，神经元集群产生电活动，这一内源性响应与外部电刺激信号具有相位相干性[15-16]；后者为突触前后神经元相对脉冲可以调节突触的连接强度，进而调节大脑皮层可塑性[17-18]。有研究推测[19]，tACS 后的效应与STDP 引起突触变化有关。Salmela 等[20]发现，双侧M1 10 Hz、30 Hz 电刺激会影响运动皮层的兴奋性，影响程度受到刺激频率的调制。

tACS 结合脑电是研究tACS 效应和作用机制的重要方法。β频段(10～30 Hz)电刺激可以改善运动学习能力[21]。本研究观察20 Hz tACS 前后，受试者反应时、反应正确率的行为学变化，脑电数据的事件相关谱扰动(event-related spectral perturbation,ERSP)差值分析，推测单侧tACS对M1区域的调制作用及其生理机制。

1 对象与方法

1.1 研究对象

2017 年12 月，招募天津大学本科生60 例参与本次研究，其中男性40 例，女性20 例；年龄20～25 岁；均为右利手；受试者实验期间均身心健康，视力或矫正视力正常；实验期间保证精神状态良好。实验开始前要求受试者熟悉按键操作流程，适应按键节奏，避免由于按键熟练程度对实验结果造成影响。

本研究经天津大学伦理审查委员会批准。实验前所有受试者均阅读实验相关说明和注意事项，并签署知情同意书。

1.2 方法

1.2.1 实验材料

双手手指位置图见图1。左手(1)～(4)依次呈现左手小、环、中、示指对应按键；右手(1)～(4)依次呈现小、环、中、示指对应按键。受试者根据图片中异色点亮矩形，迅速用相应手指按键。8 张图片在电脑屏幕中央随机重复出现20 次，刺激前、后各80 个试次。

图1 按键任务刺激图片

1.2.2 脑电图

采用多通道脑电采集系统(美国NEUROSCAN 公司)和配套的Synamps2 放大器，完成脑电信号的实时记录与采集。导联阻抗＜15 kΩ，采样频率1 kHz，滤波带通0.5～80 Hz，参考电极置于右侧乳突。

1.2.3 电刺激

采用DC-Stimulator 电刺激仪(德国NEUROCONN公司)，活性电极分别置于电极帽C3 和C4 导联位置，参考电极置于右侧乳突，接地电极置于前额区FPz 与Fz 导联连线中点。电刺激频率20 Hz，持续20 min，电流强度基于个体进行特异性设置，为受试者不出现光幻视的最大电流。

1.2.4 实验流程

每个试次开始时，屏幕中央并排出现四个灰色矩形，显示“按任意键开始实验”；随后在屏幕正中央出现一张含有异色矩形的左手或右手图片，受试者迅速做出对应按键反馈。每10 个试次为1 个block，结束后，黑色屏幕中央呈现平均反应时和错误个数。

本实验包括4 种刺激条件，即C3 导联真/伪刺激，C4 导联真/伪刺激。实验任务包括左手顺序按键(LS)、左手随机按键(LR)、右手顺序按键(RS)和右手随机按键(RR)。

1.2.5 数据处理

记录反应时和正确率，以及脑电数据的ERSP 差值分析。

以视觉刺激出现后200～600 ms为有效反应时，取80 个试次的平均值；以视觉刺激出现后200～600 ms的正确次数与实验任务中所有按键次数160 次的比值作为正确率。以(LS-LR)反应时代表左手学习能力，(RS-RR)反应时代表右手学习能力

对采集到的脑电数据进行200 Hz 降采样、1～35 Hz滤波等预处理。计算与频段对应时间点内单试次功率谱，以视觉刺激出现前100 ms作为基线，去除后得到单试次ERSP；各刺激条件下ERSP叠加平均，采用ERSP 多重差值分析法，将刺激前、刺激后ERSP 作差，计算顺序、随机序列任务下ERSP 之差，比较对侧、同侧ERSP之差并分析其显著性。

计算每个block 各频段、各时间点能量谱，去除基线(以block 开始前0.6 s 为基线)后得到各block 能量扰动；对各组别任务模式下ERSP 进行叠加平均。显示左、右手ERSP之差。

1.3 统计学分析

左右手学习能力以柱状图表示，其他数据只描述统计学分析结果，不描述具体数据。采用SPSS 22.0软件进行配对t检验。显著性水平α=0.05。

2 结果

2.1 行为学

C4 真刺激条件下，LS 和LR 任务反应时缩短(LS:t=3.720,P=0.003。LR:t=2.222,P=0.034)；其他刺激条件下反应时无明显变化。4 种刺激条件下，刺激前后受试者正确率无显著性差异，均在95%以上。C4真刺激条件下，左、右手运动学习能力明显提高(左手：t=3.118,P=0.005。右手：t=-3.320,P=0.002)；另外3 种刺激条件下，左、右手运动学习能力显著变化。见图2。

图2 不同刺激条件下左右手运动学习能力变化

2.2 脑电图

以横轴表示脑电特殊频带，包括theta (4～8 Hz)、alpha (8～12 Hz)、low-beta (12～15 Hz)、midrang-beta(16～20 Hz)、high-beta (21～30 Hz)；纵轴表示LS-LR、RS-RR在特殊频带与时间平均的能量差值。

C3真刺激条件下，midrang-beta 和high-beta 频 段左右手能量差值有显著性差异，且右手能量变化高于左手；C4真刺激条件下，high-beta频段左右手能量差值有显著性差异，左手能量变化高于右手；C3 和C4伪刺激条件下，beta 频段能量差值无显著性差异。见图3、图4。

3 讨论

本研究显示，在C4 施加20 Hz tACS，能促进受试者的运动学习能力，且具有偏侧化(左手)效应。在C3 施加20 Hz tACS，右手按键能力没有得到改善，原因可能是受试者均为右利手，刺激效果存在天花板效应[22]。

tACS 对行为的影响与外部刺激对持续振荡脑活动的影响类似[22]。外界刺激对大脑振荡频率的作用可调节大脑功能，并受刺激参数调制[22]。Samaha 等[23]认为，脑电β 节律代表当前运动和认知状态的维持，low-β tACS 与大脑皮层low-β 节律振荡相互作用，有助于运动学习过程中的功能重组。Giordano等[24]发现，对受试者M1 施加10 Hz tACS 有助于改善其SRTT 表现，但15 Hz 和30 Hz 刺激并无显著影响。推测tACS对大脑功能的影响依赖于个体内源性振荡活动频段。大脑对运动相关功能响应频段主要集中于α 和β 频段，而10 Hz tACS受随机序列的干扰较大。所以本研究选择20 Hz 作为刺激频率。在SRTT 中，M1 放置阳极电极可增加皮质兴奋性，放置阴极电极抑制皮质兴奋性[25]。Meissner 等[26]发现，在受 试者右 侧M1 施 加tDCS 15 min，SRTT 反应时缩短，证明M1 与运动学习相关。因此本研究选择左右M1作为刺激位点。

图3 C3真/伪刺激下左右手能量差值

图4 C4真/伪刺激下左右手能量差值

综上所述，20 Hz tACS 作用于M1，可以提高受试者运动学习能力，缩短反应时间。研究表明[26]，运动序列学习可能受tACS 的频率、作用时间和作用位置影响。后期我们将探究不同频率tACS 下的脑电响应，为tACS调控参数优化设计提供技术支撑。