经颅直流电刺激背外侧前额叶调节大学生情绪识别

甘甜，宋伟，郑燕，周炎振

(浙江理工大学心理学系 心理学实验中心，杭州 310018)

1 前言

情绪识别是指个体通过言语、表情、肢体动作和场景等信息对情绪进行识别[1]，是社会交往中一项基本心理能力[2-3]。然而，研究表明我国大学生的情绪识别能力普遍较弱[4]。基于情绪识别的重要作用，许多研究者试图探索能够提高情绪识别的方法。随着认知神经科学技术的发展，近年来，经颅直流电刺激(Transcranial Direct Current Stimulation，tDCS)技术在抑郁、焦虑等情绪障碍治疗中得到广泛应用，被认为是一种有效的情绪调节工具。但是，tDCS对健康成人尤其是健康大学生情绪识别的调节效应尚不清楚。本研究旨在考察tDCS在健康大学生情绪识别干预中的应用。

经颅直流电刺激是一种利用微弱的直流电调节大脑皮层神经细胞活动的技术。研究发现tDCS阳极刺激能提高运动皮层神经元的兴奋性，阴极刺激则降低其兴奋性。在此基础上，研究者们开始尝试使用该技术来调控注意、记忆、决策和情绪等各种基础和高级的认知加工[5-6]。同时，该技术也被广泛应用于抑郁症、焦虑症和精神分裂症等心理障碍的临床治疗[7]。

临床研究中，病理性和脑成像研究都发现背外侧前额叶(Dorsolateral Prefrontal Cortex,DLPFC)在情绪加工中具有重要作用。例如，研究发现重症抑郁症患者表现出偏好不愉快信息和远离愉快信息的认知偏差，这种倾向可能与前额叶和杏仁核的神经网络激活的改变有关[8-9]。一项功能性磁共振成像(Functional Magnetic Resonance Imaging,fMRI)研究也发现，相比于识别中立场景，抑郁症患者在识别不愉快场景时其DLPFC的激活减少，而杏仁核激活增强[10]。有研究发现DLPFC与情绪识别可能存在某种联系[11]。Godinho等人采用脑电图(Electroencephalographic,EEG)进行研究，发现DLPFC参与了疼痛的情绪调节[9]。还有研究表明DLPFC参与了和面孔表情识别相关的认知任务[12]。上述结果都表明DLPFC同杏仁核等皮层下脑结构一样，是情绪识别脑网络的重要部分[13]，这为采用tDCS刺激DLPFC以调控情绪识别加工提供了实证依据。

研究表明，tDCS阳极刺激双侧DLPFC都能降低个体对负性情绪的体验和增强对正性情绪的识别。例如，有研究发现tDCS阳极刺激左侧DLPFC(l-DLPFC)后，被试对负性图片的不适感评分下降[14-15]，同时，研究还发现tDCS阳极刺激l-DLPFC能提高个体对正性情绪面孔的识别[3,16]。此外，在临床上已经证实tDCS刺激l-DLPFC能够显著改善抑郁症患者的症状[17-19]。以上研究表明l-DLPFC是情绪识别的重要脑区。然而，Yang等人采用情绪面孔搜索识别范式，发现tDCS阳极刺激右侧DLPFC(r-DLPFC)也能够显著提高被试对高兴表情的识别，表明r-DLPFC在情绪识别加工中也发挥了关键作用[20]。虽然tDCS刺激双侧DLPFC都有可能调节情绪识别，但是刺激l-DLPFC和r-DLPFC的调节效果哪个更好尚未可知。对这个问题的探索将有助于进一步理解情绪识别的神经机制，也对临床上使用tDCS治疗情绪障碍有所启发。

综上所述，本研究采用情绪面孔搜索识别任务[20]，使用tDCS对大学生被试的双侧DLPFC分别进行阳极刺激，以考察tDCS刺激DLPFC是否能有效调节健康大学生的情绪识别加工，并进一步探索究竟刺激哪一侧效果更好。我们假设tDCS刺激DLPFC能够调节情绪识别。基于已有研究发现[15,16,20]，我们预期tDCS阳极刺激双侧DLPFC对情绪面孔搜索识别的影响存在差异：与假刺激条件相比，tDCS阳极刺激l-DLPFC能够增强所有情绪面孔的搜索识别，而阳极刺激r-DLPFC能够增强对愉悦面孔的搜索识别。

2 对象与方法

2.1 对象

公开招募在校大学生被试共63人，其中l-DLPFC阳极刺激组20人，男性12人；r-DLPFC阳极刺激组21人，男性11人；假刺激组21人，男性10人；平均年龄为20.39±1.97岁。所有被试均无癫痫、脑外伤等病史，均为右利手，视力或矫正视力正常，身心健康，实验前无服用含咖啡因或精神类药物。实验结束后均给予参与者一定被试费作为报酬。

实验前一天进行利手和tDCS安全筛查，并使用共情[21]、贝克焦虑[22]和贝克抑郁问卷[7,23]测量被试的情绪状态，并签署知情同意书。本研究得到了浙江理工大学理学院心理学实验伦理委员会的批准。

2.2 实验材料

从中国化面孔情绪库[24]中选取高兴、悲伤和愤怒面孔各36张，中性面孔108张，每种面孔男女各半，认可度和强度见表1。正式实验使用的情绪面孔刺激材料是由三张中性面孔与一张情绪面孔(高兴or愤怒or悲伤)组成的四格图片，每张情绪面孔在四个位置出现的次数均等。图片的总视角为5.4°，其中每张面孔的视角为2.5°，照片间距离为0.4°(如图1)。

图1 实验材料示例

表1 情绪面孔图片认可度与强度(M±SD)

2.3 实验流程

本实验为3(刺激类型：l-DLPFC vs.r-DLPFC vs.假刺激)×3(情绪类型：快乐 vs.悲伤 vs.愤怒)混合设计，被试间变量为刺激类型，被试内变量为情绪类型。因变量为面孔情绪识别的正确率和正确反应的反应时。实验所用电脑屏幕的尺寸为19英寸，分辨率为1024×768，屏幕的刷新频率为60Hz；实验程序使用E-prime2.0编写。

练习结束后开始tDCS刺激，告诉被试保持静息状态10 min，同时接受tDCS刺激，10 min后被试开始在接受刺激的同时完成8 min的情绪面孔搜索识别任务。实验采用block设计：高兴和悲伤面孔组合为一组，愤怒和高兴面孔组合为一组，愤怒和悲伤面孔组合为一组。每个block含72张图片材料，图片位置平衡，所有图片材料呈现1次，共72个trail。每完成1组block之后，被试可以休息60 s。block的顺序在被试间平衡。每个trail的流程见图2所示：首先在屏幕中心出现500 ms的注视点“+”，随后，呈现情绪面孔图33 ms，而后出现空屏，空屏和刺激呈现时间相加不超过3000 ms，同时要求被试尽快准确地判断刚刚看到的四个面孔中存在的是哪种情绪面孔，并通过小键盘右手食指和中指进行按键反应，按键设置为4、5、6键分别对应三种情绪，按键设计被试间平衡，每次判断需使用食指和中指进行按键反应。

图2 试验流程图

2.4 经颅直流电刺激参数及方法

tDCS仪器为Starlab研发的，NE(Neuroelectrics)公司生产的Starstim经颅直流电刺激仪，电极片为5×5cm2的海绵电极。参数设置参考Yang等人的研究[20]，根据EEG 10/20系统，l-DLPFC组的被试将阳极置于F3上，阴极置于FP2； r-DLPFC组的被试将阳极置于F4上，阴极置于FP1。将tDCS电流强度设置为1.5 mA，阳极刺激条件下，刺激总时间为18 min左右，其中静息状态刺激10 min，情绪面孔搜索识别任务持续刺激8 min；假刺激条件下，电流在30s爬坡到1.5mA后，立即下坡，30s后关闭设备(单盲设计)。

3 结果

3.1 情绪面孔识别正确率

三组被试在共情、贝克焦虑和贝克抑郁问卷下的得分均无显著差异(ps> 0.05)，表明三组被试在情绪状态上是相似的，具有同质性。

t检验结果显示所有实验条件下的正确率均显著大于随机水平50%(ps< 0.01)，表明被试并没有随机猜测，实验数据是有效的(见表2)。采用SPSS 24.0对正确率进行3(l-DLPFC vs.r-DLPFC vs.假刺激)×3(快乐 vs.悲伤 vs.愤怒)的重复测量方差分析，结果表明情绪主效应显著，快乐情绪识别的正确率最高(74%±9%)，愤怒情绪识别的正确率最低(61%±11%)，F(2,61)=24.70，P<0.001，η2=0.295；其它主效应和交互效应不显著(ps> 0.05)。

表2 三种tDCS刺激条件下各类情绪面孔识别的正确率(M±SD)(%)

上述结果表明，我们所预期的tDCS阳极刺激对情绪识别正确率的影响并未显著，即备择假设H1不成立，为了进一步探究数据结果对本研究的H1和零假设H0(即“tDCS阳极刺激DLPFC不会影响情绪识别正确率”的假设)的支持强度，我们采用JASP 0.13软件对各条件下的正确率进行了贝叶斯重复测量方差分析[25]，结果见表3。表3表明：情绪主效应的BF10值是1.04e+7，根据贝叶斯因子的决策标准，该结果表明有极强的证据支持H1；刺激主效应的BF10值是0.13，表明有中等程度的证据支持H0；情绪和刺激主效应之和的BF10值是1.60e+7，表明与单独的情绪主效应相比，当加入刺激的效应时，数据对H1的支持降低了大约6.47 倍(1.04e+8/1.60e+7)；在此基础上，当把情绪和刺激的交互作用也增加到模型中时，BF10值是872475.06，表明有极强的证据支持H1，但和单独的情绪主效应相比，支持程度降低了大约118.63倍(1.04e+8/872475.06)。

表3 各条件下正确率的贝叶斯重复测量方差分析的模型比较结果

3.2 情绪面孔识别反应时

各实验条件下情绪面孔识别反应时均值和标准差见表4。重复测量方差分析结果表明情绪主效应显著，其中快乐反应时最短(809.53±153.24ms)，愤怒反应时最长(997.13±199.71 ms)，F(2,61)=80.57，P<0.001，η2=0.577；刺激类型主效应显著，r-DLPFC的反应时(992.10±36.86 ms)显著长于l-DLPFC(851.95±37.77 ms)，F(2,61)=3.60，P= 0.034，η2=0.109；交互作用不显著(P> 0.05)，见图3。

图3 三种tDCS刺激条件下情绪面孔识别的反应时

表4 三种tDCS刺激条件下各类情绪面孔识别的反应时(M±SD)(ms)

对各条件下的反应时进行贝叶斯重复测量方差分析，结果见表5：情绪主效应的BF10值是1.12e+20，根据贝叶斯因子的决策标准，该结果表明有极强的证据支持H1；刺激主效应的BF10值是2.40，有较弱的证据支持H1；情绪和刺激主效应之和的BF10值是2.31e+20，表明与单独的情绪主效应相比，当加入刺激的效应时，数据对H1的支持提高了大约2.07倍(2.311/1.115)；在此基础上，当把情绪和刺激的交互作用也增加到模型中时，BF10值是2.17e+19，表明有极强的证据支持H1。

表5 各条件下反应时的贝叶斯重复测量方差分析的模型比较结果

3.3 被试副作用评价

三种刺激条件下均出现微弱的刺痛、发痒和疲劳的情况，对三组被试副作用评价总分进行方差分析发现无显著差异(F=0.13，P= 0.881)。

4 讨论

本研究采用视觉搜索范式考察了大学生的情绪面孔的搜索识别加工，并通过tDCS分别刺激l-DLPFC和r-DLPFC，以探究提高l-DLPFC和r-DLPFC的皮层兴奋性对情绪感知加工的影响。结果发现，不同情绪面孔搜索识别的正确率和反应时不同：在快速情绪面孔搜索识别任务中，被试对快乐情绪面孔的搜索识别正确率最高、反应时最短，搜索识别愤怒情绪面孔的正确率最低、反应时最长；另外，与假刺激相比，阳极刺激双侧DLPFC并未对快乐、悲伤和愤怒情绪面孔的搜索识别产生不同影响；与阳极刺激r-DLPFC条件相比，阳极刺激l-DLPFC条件下，被试在情绪面孔搜索识别任务中的反应时显著缩短，提示与刺激r-DLPFC相比，刺激l-DLPFC对情绪感知的影响可能更大。本研究首次对tDCS分别阳极刺激l-DLPFC和r-DLPFC调节情绪加工进行了直接的比较，该结果对采用tDCS干预和调节健康大学生的情绪加工研究具有一定的启发和参考价值。

本研究在正确率和反应时上均发现了情绪面孔类型的主效应，即在快速的情绪面孔搜索识别任务中，被试对快乐情绪面孔的搜索识别正确率最高、反应时最短，搜索识别愤怒情绪面孔的正确率最低、反应时最长。这与以往研究的结果是一致的，如Calvo等人使用真实面孔照片进行视觉搜索任务发现，相较于愤怒面孔，被试更容易对快乐面孔进行定位，而且被试的第一眼扫视集中在快乐面孔上的几率也更大[26]；谭群等人采用视觉搜索范式发现，在对自我不同情绪效价面孔的搜索识别中，对自我快乐表达的搜索快于其它情绪表达，正确率也较高[27]。这些结果表明，情绪面孔的视觉搜索过程中存在快乐情绪面孔优势效应。Nummenmaa等人认为这种优势效应可能与快乐情绪的独特性有关，快乐面孔是唯一明确表示愉快的情绪类型，而其它的情绪面孔分别表示负性(愤怒、恐惧、悲伤和厌恶)和模糊(惊讶)的情绪类型，所以人们对快乐情绪面孔的识别正确率最高、反应时最短[28]。

本研究在反应时上发现了tDCS刺激的主效应，主要表现为l-DLPFC条件下个体的反应时显著短于r-DLPFC条件，提示与tDCS阳极刺激r-DLPFC相比，刺激l-DLPFC对情绪识别加工的影响可能更大。与该结果相似的是，研究发现使用tDCS阳极刺激l-DLPFC能提高被试对积极面孔的选择性注意[29]和对情绪面孔的识别绩效[30]。双侧DLPFC的刺激效应差异可能与它们在情绪加工任务中的不同作用有关，脑成像研究发现l-DLPFC的活动增强是有效调节情绪注意的关键[31]，而r-DLPFC的激活可能与情绪注意异常受损有关[32]。此外，无论在正确率还是反应时上，本实验都未发现tDCS阳极刺激与假刺激存在显著差异，表明对于健康大学生而言，与假刺激相比，tDCS阳极刺激DLPFC可能并不能对其情绪加工产生显著影响。Horvath等人采用元分析方法总结了59个单次tDCS刺激的实验结果，认为单次的tDCS刺激对健康个体的记忆、执行功能、风险决策等认知加工并无显著影响[33]。Dedoncker等人的元分析结果表明tDCS对健康成人和疾病患者的影响可能存在差异，阳极tDCS刺激DLPFC能够缩短健康成人的反应时而对正确率没有显著影响，相反，阳极tDCS刺激疾病患者的DLPFC主要会影响其正确率而对反应时没有显著影响[34]。这些结果表明，tDCS刺激DLPFC对健康个体认知加工的影响是比较复杂的，单次刺激往往无法得到显著的效应。未来研究可以考虑多次连续的tDCS刺激，并将tDCS刺激与认知行为训练相结合[35]，以期得到显著的调节效应。

与我们的预期不一致的是，本实验的结果表明情绪类型与tDCS刺激的交互作用并不显著，无论在哪种情绪面孔条件下，与刺激r-DLPFC相比，刺激l-DLPFC条件下的反应时都显著更短了。Sergerie等人使用fMRI技术探究了前额叶在情绪面孔的记忆和识别中的作用，结果发现不论何种面孔情绪，左侧前额叶皮层的激活仅与面孔的成功编码有关，说明l-DLPFC在情绪面孔加工中可能发挥的是一种更加普遍性的整合性的作用，因此，采用tDCS阳极刺激l-DLPC提高的是情绪整合功能，对于所有情绪均起作用[12]。然而，本研究的结果与以往tDCS的相关结果并不一致：Yang等人的研究中发现阳极tDCS刺激DLPFC显著提高了积极情绪面孔的感知，但并不影响消极情绪面孔的加工[20]。Penolazzi等人发现tDCS刺激双侧的额颞区域会对情绪情景的回忆造成影响，具体而言，左阴右阳的tDCS刺激选择性地促进了正性图像的回忆，而左阳右阴的tDCS则促进了负性图像的回忆[36]。我们认为本研究并未发现情绪类型与tDCS刺激的交互作用的原因可能与任务所涉及的认知加工以及参考电极的放置位置有关。首先，在任务设置上，本研究采用了面孔搜索识别任务，该任务中既包括了注意搜索，又包括了情绪识别。左侧额顶网络通过自上而下的注意参与面孔空间搜索的加工，因此tDCS刺激DLPFC、尤其是l-DLPFC会对注意搜索产生影响，这种注意是泛化的，而不是针对某一种特定情绪的，所以tDCS刺激与情绪类型的交互作用不显著。针对这一不足，未来研究可以通过设计不同的任务以分离情绪面孔搜索和情绪识别加工，并增加非情绪的注意任务，进一步考察DLPFC对情绪搜索和识别加工的不同影响，并分析DLPFC是否对情绪性的注意加工具有特异性的影响。其次，本研究所得到的阴性结果可能还与tDCS的电极放置位置有关。实验中，我们将tDCS的阴极电极分别放置于FP1和FP2电极，该刺激位置可能会抑制眶额叶皮层(Orbitofrontal Cortex,OFC)的活动。有研究表明OFC、DLPFC与内侧前额叶皮层(medial prefrontal cortex,mPFC)共同组成情绪中枢通路，并在情绪加工中起着不同作用[37-38]，因此OFC的激活受到削弱可能会抵消tDCS阳极刺激对DLPFC的兴奋作用，导致无法观测到阳极刺激DLPFC对情绪加工的显著影响。针对这一问题，在将来的研究中，可以改变阴极刺激的放置位置，将阴极放于非皮质区或其它与实验任务无关的脑区，例如脸颊、肩膀等，并结合脑电、磁共振等脑成像技术进一步地探测tDCS所刺激到的准确区域。

5 结论

首次直接比较了tDCS阳极刺激l-DLPFC和r-DLPFC对健康大学生情绪面孔识别的影响，其结果对tDCS在健康人群情绪调节中的应用具有重要意义，也对该技术在抑郁、焦虑等情绪障碍治疗中的使用有所启发。本研究主要得到以下结论：(1)不同类型的情绪面孔搜索识别的正确率和反应时不同，在快速的情绪面孔搜索识别任务中，被试对快乐情绪面孔的搜索识别正确率最高、反应时最短，搜索识别愤怒情绪面孔的正确率最低、反应时最长。(2)与假刺激条件相比， tDCS分别阳极刺激l-DLPFC、r-DLPFC对搜索识别不同情绪面孔的影响不存在显著差异。(3)在情绪面孔搜索识别任务中，tDCS阳极刺激l-DLPFC和r-DLPFC的效应存在显著差异：与刺激r-DLPFC相比，tDCS阳极刺激l-DLPFC条件下的情绪面孔搜索识别的反应时显著更短。