前额叶Gamma频段tACS对工作记忆影响的研究

孙风哲, 杨硕*, 韩雪, 王磊

(1.河北省生物电工与智能健康重点实验室, 天津 300130; 2.河北工业大学生命科学与健康工程学院, 天津 300130)

如今,科技的飞速发展以及飞快的生活节奏导致人们的工作方式发生显著变化,使得人类的大部分工作偏向脑部,然而这样长时间的脑力工作使得致精神压力越来越大。对于个体而言,如果长期处于精神压力过大的状态,不仅会让学习、记忆和注意等性能下降,还会产生其他脑类疾病,而如果大脑已经产病变,脑电无疑是反映大脑病变的参数之一。孙金秀等[1]研究发现,孤独症儿童静息态脑电的Gamma频段脑网络联系低于正常人,说明了在进行正常认知活动时,如果脑内产生病变,就会导致相关脑电成分联系的减少。因此如何对大脑状态与功能进行神经调控是神经科学的研究热点[2]。

神经调控是指通过侵入性或非侵入性技术,使用声、光、电、磁等物理性手段改变神经信号的传递,调节神经元及其所在神经网络活动性,最终引起特定脑功能改变的生物医学工程技术。神经调控技术既是治疗神经系统疾病的有效手段,又是研究神经环路、解析脑功能的重要工具[3]。

其中,经颅交流电刺激(transcranial alternating current stimulation, tACS)作为外界可控刺激之一较早地进入医疗领域和康复领域来治疗脑部疾病与各种精神障碍,由于头皮电刺激具有无创性、花费少等特点,从而被人们所熟知并加以运用。近年来,随着对经颅电刺激研究的进一步深入,经颅电刺激被广泛应用于对大脑认知活动的改善以及对阿尔茨海默病[4]等一些脑部疾病的治疗。其中,通过对经颅交流电刺激的研究发现,Gamma频段的交流电刺激对于大脑认知活动的改善较其他频率电刺激的效果更明显。张学军等[5]通过技能学习与巩固实验证明了外界Gamma频段交流电刺激对于一般运动技能(general motor skill, GMS)和序列特异性技能(sequence-specific skill, SS)有明显的改善效果。Kim等[6]通过Gamma频段交流电刺激刺激后,观察到了脑内的神经元含量发生变化,从而在一定程度上证实了外界的刺激对于大脑的某些认知功和功能性结构确实有改善作用。随着实验的深入,发现Gamma频段tACS对于阿尔茨海默病患者有一定的疗效。Giustiniani等[7]通过使用Gamma tACS对阿尔茨海默病患者进行刺激时发现,电刺激可以有效地提高一定的认知能力并使得脑内淀粉样蛋白的含量显著降低。

大量研究证明,40 Hz tACS可以引起脑电工作记忆的增强作用。Giustiniani等[8]通过40 Hz tACS对任务态的大脑进行电刺激时,发现对于序列反应时任务能明显的增长响应时间。随着时代的发展,越来越多的科学家发现使用40 Hz tACS在不同功能性脑区上产生的效果也不尽相同。在运动皮层方面,Guerra等[9]却得出与之相反的结果,即在运动皮层,年轻人提升的效果要高于老年人。

基于现有研究并结合实际问题,同时为了探究tACS技术对大脑工作记忆能力的影响,设计工作记忆任务实验,并使用40 Hz tACS,通过分析两种刺激模式后工作记忆任务行为数据与脑电数据的变化,以期望探究tACS对于大脑工作记忆任务的正向调节作用。

1 实验设计

1.1 实验流程

本次实验采用随机双盲实验设计,并将实验分为两组,分别为伪刺激组和刺激组,实验之间间隔一周,以保证电刺激效应和工作记忆效应消失。在正式实验开始前一周,实验人员询问被试年龄与性别并记录,然后向被试介绍实验流程、实验目的,并使被试提前感受电刺激,调整好电刺激参数并告知电刺激相关副作用。按照实验设计流程,首先进行任务测试,目的是使得被试熟悉任务相关操作,然后正式实验。每组实验首先采集被试静息态脑电,然后对其进行tACS,结束后即刻进行任务。采集任务将在15 min内完成,以保证电刺激相关效应不会消失以及脑疲劳效应不会出现,采集任务完成后再采集被试的静息脑电(图1)。

图1 实验流程图及任务流程图Fig.1 Picture of experimental process &picture of task process

1.2 被试选取

本实验共选取34名被试,全部为在校大学生,年龄在19～26岁,其中男性被试19人,年龄为21.94±2.91岁,女性被试15人,年龄为(21.53±1.98)岁,且全部为右利手。所有被试均视力正常或矫正视力正常,所有被试无精神类疾病史或脑部外伤史。实验过程中执行的所有程序均符合机构或国家研究委员会的伦理标准以及1964年赫尔辛基宣言及其后修正案或类似的道德标准。

1.3 刺激类型

实验采用的电刺激仪器是来自德国的neuroConn经颅交直流电刺激仪,接触大脑头皮的电极是两片直径3 cm圆形凝胶电极片。电流参数为1 000 μA,频率参数为40 Hz,波形为正弦交流波形[10]。正式实验开始时,刺激组刺激时间为30 min;伪刺激组总刺激时间是30 min,前30 s为刺激时间,所有刺激在开始和结束期间有10 s的淡入/淡出时间。刺激位置根据国际临床神经电生理联盟(International Federation of Clinical Neurophysiology, IFCN)脑电图电极安放标准指南(2017)中的10-20系统确定为FP1和FP2。两次实验尽量在相同时间段进行,保证被试在前后两次实验中保持相同的状态。

1.4 实验范式

实验选用的范式为修改后的色块延迟匹配任务[11],通过添加空间位置因素,增加了任务难度(图2)。每次实验被试需要观察40组图片,其中前20组为三色块记忆任务,后20组为四色块记忆任务,每组图片两张,一张用于记忆,一张用于判断。被试在加号图片出现后做好准备,700 ms后出现需要记忆的图片,观察时间为1 000 ms,随后保持记忆4 000 ms并紧盯屏幕,最后出现需要判断的图片,此时图片上只有一个色块,被试需要判断此色块与记忆图片中的某个色块的颜色和位置完全一致,完全一致时按左键,反之则按右键,判断时间为2 000 ms,随后进入下一个记忆判断周期,直至整个实验结束。

图2 实验设计图Fig.2 Figure of experimental process

2 行为学数据分析

本实验行为学数据使用E-prime3.0软件进行采集,并使用SPSS-26.0软件对其进行处理,对施加刺激和伪刺激被试的反应时间与正确率进行独立样本t检验分析,分析其变化情况,显著性概率P<0.05认为具有统计学差异。

针对两种刺激状态以及不同任务量两个维度分析数据,因此可以将正确率(记为Acc)与反应时间(记为RT)的数据按照刺激类型、任务量进行分组,两两进行独立样本t检验分析,可得正确率在两种刺激状态间有显著性差异,且随着任务量的提升,显著性变得明显,如图3所示。可得三色块数据分析结果与(F=10.865,t=2.202,P=0.035<0.05)与四色块数据分析结果(F=6.039,t=2.597,P=0.014<0.05),其中,F为莱文方差等同性检验F值,t为独立样本t检验中的t值。而在同刺激条件下,色块任务之间的正确率无显著性区别(图4)。而在反应时间上,经过独立样本t检验分析,发现无论是在两种刺激状态下还是在两种任务量状态下,均无显著性差异(图5、图6)。

图3 基于刺激类型的数据显著性分析(正确率)Fig.3 Significance data analysis based on stimulus (Acc)

图4 基于任务量的数据显著性分析(正确率)Fig.4 Significance data analysis based on tasks (Acc)

图5 基于刺激类型的数据显著性分析(反应时间)Fig.5 Significance data analysis based on stimulu (RT)

图6 基于任务量的数据显著性分析(反应时间)Fig.6 Significance data analysis based on tasks (RT)

综上,通过行为学数据结果分析,说明了使用tACS刺激大脑后,主要对工作记忆中的信息处理能力产生了正向影响,而对于反应能力如反应时间并未产生明显的影响。

3 基于事件相关电位P3成分的数据分析

3.1 事件相关电位及其P3成分

事件相关电位(event-related potential, ERP),是指大脑在收到外来刺激时,神经活动与心理事件两者之间有了锁时相关性,且对于大脑的某些潜伏期很长的响应更为明显,反映了大脑对心理活动或外界刺激的处理。其中,P300(简称P3)是一个波形明显且时间跨度较长的正向波,属于ERP晚成分。经过长期的研究,P3与许多认知功能都有联系,除此以外,它的波幅还受到刺激概率、任务复杂度的影响,因此也导致了P3诱发实验结论的差异性。

3.2 P3a成分及其结果分析

P3a成分由Polich[12]提出,是ERP中P3成分的重要组成, 潜伏期在280～380 ms,主要分布于额叶区,对新异刺激反应明显。

将34个被试的ERP数据进行叠加平均,得到4种条件下的P3a成分幅值图(图7)与地形图(图8)。可以看出,在伪刺激条件下P3a成分的平均幅值要高于刺激组的平均幅值,将额顶区导联平均幅值进行独立样本t检验显著性分析,P<0.05认为具有统计学差异。

图7 Fz导联两种刺激后的ERP幅值 Fig.7 Amplitude of ERP in Fz after two stimulus

图8 不同条件下P3a平均幅值分布地形图Fig.8 Topographic maps of the average amplitude of P3a under different conditions

分析发现,在刺激条件下,三色块任务中的P3a成分的平均幅值显著性降低,而在四色块任务中降低不明显,如图9所示(三色块:F=15.798,t=-2.843,P=0.010<0.05; 四色块:F=1.614,t=-1.315,P=0.248>0.05)。这与Wischnewski等[13]的研究结果类似,对于同一任务,新手在两组不同刺激中P3a成分降幅显著,而专业人员降幅不明显。因此,可将三色块任务视作被试新手期间任务,而到了四色块则视为专业期间的任务,从而降幅相较于三色块任务当中的P3a成分幅值不明显。

*表示有显著性差异图9 Fz导联ERP显著性Fig.9 Significance of ERP amplitude in Fz

3.3 P3b成分及其结果分析

P3b成分[12]是ERP中P3成分的另一个重要组成,潜伏期在400～600 ms,主要分布在顶叶,与认知加工有关,主要功能是将当前刺激与记忆表征进行比较,是一种目标驱动的认知加工过程,因此P3b成分在任务量较大的目标刺激中幅值较高。

将34个被试的ERP数据进行叠加平均得到P3a成分幅值图(图10)与地形图(图11)。可以看出,在伪刺激条件下P3b成分的平均幅值要低于刺激组的平均幅值,且主要集中于额顶叶,将额顶区导联平均幅值进行独立样本t检验显著性分析,P<0.05认为具有统计学差异。在刺激条件下,四色块任务中的P3b成分的平均幅值显著性提高,而在三色块任务中提高不明显,如图12所示,(三色块:F=11.213,t=1.082,P=0.292>0.05; 四色块:F=0.329,t=2.721,P=0.027<0.05)。表明P3b成分在任务量多、注意力相对集中的任务中,P3b成分的平均幅值会显著提升。

图10 Cz导联两种刺激后的ERP幅值Fig.10 Amplitude of ERP in Cz after two stimulus

图11 不同条件下P3b平均幅值分布地形图Fig.11 Topographic maps of the average amplitude of P3b under different conditions

*表示有显著性差异图12 Cz导联ERP显著性Fig.12 Significance of ERP amplitude in Cz

4 基于相位幅值耦合的数据分析

4.1 平均路径长度

平均路径长度(mean vector length, MVL)由Canolty等[14]提出,是计算相位幅值耦合的方法之一,主要步骤如下:先将信号分别进行滤波,分为低通滤波和高通滤波,然后从低通滤波后的信号中获得相角,从高通滤波后的信号中提取幅值后归一化,并将信号铺展在复平面上,当信号在一定相角的范围中有较大的幅值时,进而可以计算出较大的耦合值,否则会因为相角的关系导致幅值互相抵消,使得耦合值很小或不存在,因此可得

(1)

式(1)中:t为时间;n为数据总量;at为t时刻归一化后的幅值,at∈[0,1];θ为t时刻相位角。

将34名被试的每一导联数据进行相位幅值耦合分析,得到两种刺激状态下的相位幅值耦合图(图13),可以看出,两种刺激状态下theta-gamma相位幅值耦合值较为明显,这是由工作记忆任务所导致,且电刺激后的耦合值相较于伪刺激后的耦合值明显。将所有导联进行独立样本t检验显著性分析,并选取额顶区导联分析数据,显著性概率P<0.05认为具有统计学差异。从表1中数据可以看出,顶叶导联有显著性,而在额叶的显著性不明显。

表1 MVL相位幅值耦合显著性

图13 Cz导联相位幅值耦合图Fig.13 Phase amplitude coupling diagram of Cz

图13中,除theta频段外,alpha频段与gamma频段也有很高的耦合值,这主要是由于实验任务为视觉任务,需要高度的注意力,而alpha频段负责注意力[15-17],因此使得alpha-gamma的耦合值也相对较高,但无显著性差异。

4.2 基于KL距离的调制指数

(2)

(3)

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

(4)

(5)

将34名被试的每一导联数据进行相位幅值耦合分析,得到两种刺激状态下的相位幅值耦合图(图14),与平均路径长度计算的结果类似,可以看出,在theta-gamma与alpha-gamma耦合结果明显。将所有导联进行独立样本t检验显著性分析,并选取额顶区导联数据分析,如表2所示,显著性概率P<0.05认为具有统计学差异。从表2可以看出,顶叶导联有显著性,与平均路径长度结果不同的是,额叶区Fz电极也表现出了显著性,主要原因就是KLMI算法通过计算与均匀分布的差值来计算耦合值,因此耦合频段的位置较为精准,抗数据干扰能力较强,从而导致额顶叶区导联的显著性均优于平均路径长度算法得出的耦合值。

表2 KLMI相位幅值耦合显著

图14 Cz导联相位幅值耦合图Fig.14 Phase amplitude coupling diagram of Cz

5 结论

(1)使用40 Hz的tACS对大脑进行刺激,在刺激后通过分析工作记忆任务的行为学数据与脑电数据,从而可以得出在使用tACS后,行为学表现为工作记忆任务的正确率有显著提升。脑电数据分析结果表明,脑电ERP的P3子成分在不同阶段反映出的幅值变化,也说明了电刺激后大脑在处理不同难度任务量时,脑区之间的联系以及脑区自身功能的变化。从而导致了行为学数据的差异。

(2)相位耦合分析表明,在theta频段与40～60 Hz的Gamma频段耦合值显著提升,表明使用40 Hz tACS确实对大脑产生正向调控效果,使之能通过增加频段之间的耦合联系来增强大脑对于信息的处理,帮助大脑能更正确的处理任务量更复杂的信息,外在表现为行为学数据中正确率有显著差异,而反应时间数据差异不明显。

(3)本次试验对象为年轻人,因此,关于经颅交流电刺激的实验群体应在未来的研究中逐步过渡到老年人,继续讨论关于老年人的工作记忆退化问题。