脑电图-近红外光谱研究——重复经颅交流电刺激改善工作记忆

脑电图-近红外光谱研究——重复经颅交流电刺激改善工作记忆

编译：泰和利康-单家旭

工作记忆(Working Memory，WM)是指大脑为未来的行动计划暂时保留信息的能力[1]。它在智力、信息处理和复杂的心理活动(如学习、理解和推理)中起着关键作用[2],[3]。目前有多种衡量WM的指标被用于评估神经精神疾病(如神经退行性、注意力缺陷和多动障碍)的恶化程度[4]。WM缺陷的潜在机制被假设为多种神经生物学原因，如白质和灰质体积变化、脑血流量改变、神经递质浓度变化、脑间神经连接异常等[5],[6]。然而，WM容量是灵活的，而不是固定的。神经影像学、神经生理学和计算建模研究中越来越多的证据表明，神经调节和WM训练可以通过增加神经活动和增强大脑连通性来扩大WM的存储容量[1],[7]。

经颅交流电刺激(transcranial Alternating Current Stimulation，tACS)是一种安全且相对廉价的调节心理和生理过程的方法，它通过无创的方式向大脑施加低压交流电[8],[9]。传递的正弦电流可以通过诱导神经元节律性放电达到内源振荡同步[9],[10]。通过突触时序依赖可塑性原理(Spike-Timing-Dependent Plasticity)，tACS可以诱导持久的突触变化和神经元连接，这种现象通常被称为神经可塑性(Neuro-Plasticity)[10],[11]。神经可塑性是指神经系统在各种内在或外在刺激下重组其结构和功能的能力[12]。有确凿的证据表明，tACS通过调节特定频率的脑振荡可有效地维持认知功能[13]。特别是，theta波段(4-8 Hz) tACS显示出调节认知功能的潜力，如记忆检索(Memory Retrieval)、流体智力(Fluid Intelligence)、视觉感知(Visual Perception)和执行功能(Executive Functions)[13],[14]。在此，文献报道，当进行认知控制时，theta波振荡在神经网络通信中起着至关重要的作用，并且在WM维持期间，额叶皮层(Frontal Cortex)和海马体(Hippocampus)之间发现了theta波同步[15]。因此，4-8 Hz频段的tACS通常通过增强theta波段的内源性脑节律来提高WM能力。

神经成像技术的进步推动了脑刺激领域的发展，神经成像和神经刺激的协同作用加速了对症治疗的发展[16],[17]。目前与脑刺激技术结合使用的主流神经成像技术包括正电子发射断层扫描(Positron Emission Tomography，PET)、功能磁共振成像(functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI)、功能近红外光谱(functional Near-Infrared Spectroscopy，fNIRS)和脑电图(Electroencephalography，EEG)。然而，与EEG和fNIRS技术相比，fMRI和PET在常规应用时存在局限性[18]。例如，fMRI价格昂贵，易受磁干扰和运动伪影的影响，缺乏可移动性，时间分辨率低，并且使用时需排除患有噪音和幽闭恐惧症的患者[19],[20]。此外，PET还涉及辐射暴露和放射性示踪剂的额外问题。与fMRI和PET技术相比，EEG和fNIRS具有便携、安全、经济的优点，并且相结合具有优异的时间分辨率[21]。

此外，EEG技术可以监测头皮上不同大脑位置的神经放电过程中的电位差[22],[23]。此外，fNIRS提供了一种间接的方法来量化氧合血红蛋白(Oxygenated Hemoglobin，HbO)和脱氧血红蛋白(Deoxygenated Hemoglobin，HbR)的浓度变化[24],[25],[26]。由于没有电-光之间的干涉，这种混合型EEG-fNIRS神经成像模式被广泛用于检测头皮电位差和神经活动时脑血流动力学反应[17],[27],[28]。与单模态神经成像相比，多模态神经成像技术提供了更全面的手段，可以在治疗前阶段制定定制的治疗计划，在刺激期间监测神经可塑性的变化，并在刺激后阶段评估与临床测量相关的脑回路调节。

如上所述，WM的成功和强度取决于海马-新皮层(Hippocampal–Neocortical)的交互作用[29],[30]。theta波振荡通过大脑网络解剖分布节点的协调来控制记忆巩固中枢(Hub of Memory Consolidation)和海马活动。一些研究已经调查了theta tACS对WM过程的影响。这些研究表明，tACS通过特定theta波段频率的外源性增强来增强正在进行的过程[31]。一般来说，tACS相位操纵产生的大规模神经元网络的theta波段同步导致WM容量的正变化。去同步性(Desynchronization)引起抑制效应。此外，[32]的联合神经影像学研究表明，theta波段tACS可以改变功能连通性、脑电图功率谱和脑血活动。这一发现与对啮齿动物和灵长类动物模型的侵入性电生理研究相一致，在这些研究中，tACS可靠地调节正在进行的神经元峰值的特定频率[10],[33],[34]。

研究表明，5 Hz theta tACS对认知改善有积极作用，尽管一些研究报告了不同的结果，经颅直流电刺激(tDCS)和tACS都没有显著影响记忆表现[35],[36]。影响这种不一致性的因素包括刺激位置分布不同、刺激持续时间不足、评估标准不完善以及个体对脑刺激易感性的差异[37],[38]。最近的tDCS研究表明，延长刺激时间并不是增强效果延长的关键[39],[40]。相反，与连续tDCS相比，适当间隔的重复tDCS已被证明具有持久的刺激效果。一种可能的解释是后期长时程增强效应(Late-Phase Long-Term Potentiation，1-LTP)[41]，通过突触连接增强和神经元结构改变来实现[42]。

周期性刺激方案可以改变神经的可塑性，并保持数天或数周的稳定性。例如，Hsu等人(2019)研究了重复tACS的影响，他们证明，会话间隔为1分钟的tACS(即两个相邻tACS的持续时间)对多任务处理性能产生了积极影响[43],[44]。因此，本研究采用间隔1分钟的重复性短时间tACS来研究对WM和神经影像学的影响。

此外，尽管使用了几种方法来去除EEG记录中的噪声[45]，但tACS对EEG信号带来的电学干扰一直是在刺激期间同时记录EEG数据的主要挑战。我们设计的重复性短持续时间(RSD) tACS为避免tACS/tDCS在EEG记录过程中造成的干扰提供了便利。此外，神经影像学信息可以反映大脑的状态，并确定最佳的重复会话，以实现闭环刺激[46]。

在此，本研究旨在通过电生理学(即EEG特征)、血流动力学(即fNIRS特征)和认知表现(即WM评分)进行多种脑状态测量，来证明RSD-tACS对神经可塑性交替(Neuroplasticity Alternation)和WM容量调节的影响。为了解决刺激效应的潜在定量评估，我们进一步研究了脑电-近红外光谱混合特征，以测量刺激对认知表现的调节作用。我们假设频率为5 Hz的RSD-tACS可以提高WM评分并诱导神经可塑性的改变。

被试者

从釜山国立大学招募15名健康志愿者(11名男性，平均年龄25.2岁)参与本研究。所有参与者都是右利手，视力正常或接近正常。本研究的排除标准如下：自我报告的金属植入物或植入体内的电子设备，神经系统疾病史，精神障碍，怀孕，脑损伤和使用精神活性药物。在实验前，我们告知参与者实验程序和非侵入性电刺激的风险。如果参与者感到高度不适，他们可以停止手术。所有参与者在了解实验程序和风险后获得书面知情同意。研究结束后，每位受试者都获得了补偿津贴。整个实验范式由釜山国立大学人类研究伦理委员会批准，并按照最新的赫尔辛基宣言进行[47]。 

数据采集

采用混合型g.Nautilus fNIRS-8设备(g.tec, Schiedlberg, Austria)采集EEG和fNIRS信号，采样率为250 Hz。图2描述了EEG、fNIRS和tACS通道配置。使用g.HIsys专业软件在MATLAB中同时读取记录的EEG-fNIRS数据。使用导电凝胶(即g.GAMMAgel, Schiedlberg, Austria)来确保EEG传感器与头皮之间的低阻抗(即< 10 k)和良好的电学物理接触。

g.Nautilus fNIRS-8

电刺激

使用无线-电池驱动的脑刺激装置进行重复tACS。

A.工作记忆性能和安全评价

所有参与者都进行了14项Dual 2-back任务试验来检验WM能力，包括tACS前(即试次1-3)、tACS期间(本研究未讨论)和tACS后(即试次12-14)。如图4(a)所示，tACS后的WM评分较tACS前升高(p < 0.01, Cohen’s d = 0.568)，平均评分为56.44。另一方面，在伪刺激条件下不存在正效应(即p = 0.8986, Cohen’s d = 0.017)，如图4(b)所示。此外，图4(c)描述了伪刺激实验和tACS条件之间的WM评分改善(即WMscorepost-stimulation - WMscorepre-stimulation)，以验证所提出方法对认知功能的改善。可以看出，tACS使WM评分提高了15.08分，而伪刺激组WM评分没有提高(即伪刺激前后的平均差值为-0.46)。此外，实验期间未观察到严重的不良反应。大多数参与者报告在tACS期间有中度的光幻视感(9/15受试者，平均得分:4.94)和轻微的刺痛感(8/15受试者，平均得分:2.87)。少数参与者感到轻微瘙痒(5/15受试者，平均得分:3.60)和灼烧感(1/15受试者，得分:1)。光幻视效应(Phosphene Effect)可归因于刺激位置被安排在靠近眼睛的额叶皮层，theta交变节律振荡诱发光幻视。

B.血流动力反应

目前的研究深入研究了基于血流动力学测量的量化tACS效果的潜在生物标志物。HbO的平均值和斜率特征被广泛用于评估血流动力学反应的特征，包括事件引起的初始增加(Initial Increase)、平台期(Plateau)和低谷期(Under-Shooting Period)[53]。本研究定义了三个不同的时间窗口来量化HbO水平：Mean1为WM任务开始后1 ~ 10 s内HbO的平均值。同样，定义了Mean 2(1 ~ 15 s)、Mean 3(1 ~ 20 s)、Slope 1(从1 s到8 s)、Slope 2(1 ~ 10 s)和Slope 3(10 ~ 20 s)。图5比较了tACS和伪刺激后HbOs在定义时间内的平均值(Mean)和斜率值(Slope)。tACS组的平均HbO值高于伪刺激组；如图5(a)。此外，tACS获得的Slope特征(即Slope 1和Slope 2)的增长幅度高于模拟条件，且模式相似。在图5(b)的最后一个条形图中，也可以看到tACS条件下比伪刺激条件下更显著的HR下降(斜率3)。HbO在1 ~ 10s早期升高，在10 ~ 20s快速衰减，可作为tACS刺激的特征。结果表明，RSD-tACS可提高血流动力学反应的速度(HbO的快速增加)和幅度。尽管如此，除了Slope 3 (Cohen’s d = 0.243)外，两种情况下的血流动力学平均值差异均小于0.2个标准差。

C.脑电频带功率与地形图

此外，通过脑电图频带功率和额、顶叶区域的地形图来量化tACS的神经生理效应，如图7和8所示。图6(a)-(d)显示了tACS和假刺激前后的脑电频带功率变化。经tACS治疗后，额叶皮层delta和theta波段功率显著增加(p < 0.05)，伪刺激组无明显差异(p < 0.05)。在顶叶案例中，也出现了类似的现象，delta和theta的功率显著增加(p < 0.05, p < 0.01)。Cohen’s d值显示了刺激前后的各个EEG波段。虽然假刺激条件下的beta和gamma波段显示出显著差异(见图6(c)(d))，但效应量相对较小(即Cohen 's d值= 0.03(顶叶)和0.24(额叶)；因此，差异可以忽略不计。然而，tACS条件下的显著性差异进一步被较大的效应量(Effect Size)(Cohen’s d值> 0.8)所证实。图7中的地形图显示了特定EEG波段的比较功率分布。在tACD前阶段，WM任务的高激活区域存在于左侧背外侧前额叶皮层(Left Dorsolateral Prefrontal Cortex)(F3附近)和右侧前额叶皮层(Fp2附近)。同样，在假手术后刺激条件下也观察到这一点。然而，与tACS前和伪刺激相比，tACS后状态在整个脑活动频带的地理脑图非常不同，在执行WM任务时，整个额叶区域都是活跃的，包括双侧背外侧(Bilateral Dorsolateral)和腹外侧前额叶(Ventrolateral Prefrontal)区域，特别是在theta波段。这些关键的tACS效应可能会增强神经心理表现(即增加特定脑电图频带功率)。

D.脑连接性

大脑功能连接是指一对大脑区域之间的活动强度随时间的推移而相关。图8显示了EEG和fNIRS功能连接。节点之间的边的不同颜色表示连接强度，范围从0.6到最大连接。红线表示两个节点之间的相关性高于蓝线。节点效率决定了节点的大小，节点越大，表明与当前大脑网络中其他节点的通信更好。在EEG情况下，刺激后部分的连接(见图8(b))比tACS刺激前部分的连接更密集(见图8(a))；特别是对于大规模的连接(即额叶和顶叶皮质之间的连接)。此外，相位滞后指数越高，连通性越强。theta波段振荡和同步与大规模脑网络通信、增强认知功能和整合有关，与文献[61],[62]一致。同样，与tACS刺激前相比，tACS后fNIRS案例的半球间额叶连通性(InterhemisphericFrontal Connectivity)也有所改善。 

本研究旨在利用脑电和近红外光谱(fNIRS)混合神经成像方式评估重复性短时间tACS对脑容量和神经可塑性的影响。这项工作是第一个评估theta波段tACS对WM性能、电生理活动和血流动力学反应影响的报告。此外，本工作还研究了两个量化的脑成像特征(平均值，斜率)来评估tACS的效果。此外，多种神经生理信号读数(即EEG和fNIRS)的应用可以直接比较tACS效应，并提供互补的大脑状态信息。在基于tDCS/tACS神经调节的研究中，两种模式很少被整合应用。此外，所提出的具有量化脑成像特征的刺激方案可能为未来的刺激范式和闭环刺激设计提供新的见解。

本研究的一个假设是，重复短时间的tACS对大脑额叶和顶叶区域的WM评分和神经可塑性有积极影响。正如预期的那样，刺激后的WM评分(见图4(a))与tACS前和tACS后的刺激相比显示出积极的效果，这与之前的tACS研究结果一致[43],[44]。神经影像学结果还表明，重复性短时间tACS可提高血流动力学反应速度(图5)，同时调节额叶和顶叶区域的EEG delta和theta波活动(图6)。由于执行的任务不同，目前的EEG结果与[44]报道的结果有所不同。之前的研究调查了多任务处理(称为NeuroRacer)，它检查了视觉运动跟踪和视觉辨别的能力[64]。这些认知功能与alpha和 beta频段高度相关。然而，在本研究中，Dual 2-back任务由参与者执行，与其他脑电波段相比，大脑theta波振荡在记忆加工中起着至关重要的作用[65]。各脑电波段的地形图证实了这一说法。在刺激前，在Dual 2-back任务中，只有左背外侧皮层和右额叶皮层在theta和beta波段被激活。整个额叶皮质的能量在刺激后得到增强。然而，这种变化并没有出现在alpha、beta和gamma波段。

一项关于血流动力学反应的啮齿动物研究表明，脑血流(Cerebral Blood Flow，CBF)反应在更高的刺激强度下更快达到峰值[66]。CBF主要由神经元去极化引起，突触可塑性进一步影响神经元放电[67]。经颅电流可以通过改变突触可塑性间接影响血流动力学反应。此外，EEG和fNIRS的功能连通性都有所增强，尤其是大尺度和半球间连通性，如图8所示。越来越多的证据表明，theta波振荡支持背侧/腹侧外侧皮层与海马之间的联系，在记忆过程中形成一个必不可少的回路[68],[69]。连通性的改善为theta波段tACS对WM容量的影响提供了神经学上的解释。改变的大尺度大脑网络和局部额叶半球间连接被证明影响人类的认知表现。

最近的一项研究表明[44]，间歇1分钟的周期性刺激能够很好地增强神经可塑性和延长tACS/ tDCS效应。此外，无刺激间隔的存在使得脑电图测量可以在长时间的脑电图-近红外光谱混合实验中进行，而不受电刺激的干扰。测量的神经元活动和血流动力学信号通过提供两种信号中的互补信息来触发tACS控制系统，从而检测大脑状态。此外，非侵入性神经刺激(即tACS和tDCS)与便携式神经成像模式的结合，由于其经济方便、高时间分辨率和紧凑的尺寸(与fMRI和经颅磁刺激相比)，有可能迅速推进日常生活中非药物治疗的应用。

确定合适的成像特征对于闭环刺激系统至关重要，这需要对大脑实际状态的高度可及性[70]。功能性脑成像可以通过研究限定脑区和脑网络的直接/间接神经元活动，建立脑状态与行为表现之间的相关性[71]。本研究通过脑电和近红外光谱的混合分析，探索神经可塑性对重复性TAC影响的候选指标。在fNIRS研究中，在刺激后静息状态下观察到tDCS/tACS增加HbO的总体趋势[72]。如图5和图6所示，由于血流动力学反应的快速特性，分段间隔血流动力学反应的平均值和斜率以及初次血流动力学反应的下降斜率可以作为评估重复tACS效果的有意义的特征。

同时，额叶皮层theta波段的脑电功率(图6)高于伪刺激条件。一种可能的解释是，θ波段调节皮层和海马系统通路，后者重新部署与WM相关的α波段来协调指定的认知功能。有证据表明，alpha和theta振荡反映了人类大脑的认知和记忆过程[73]。此外，内源性theta节律涉及皮质系统和海马之间的交流，海马主要负责短期记忆功能[74]。

本研究的一个限制是fNIRS测量通道的数量有限，另一个限制是测量区域有限，记录了来自额叶或顶叶皮层的所有fNIRS信号。背外侧和腹外侧前额叶脑区是视觉和空间WM任务感兴趣的皮层[75]。未来的工作可以进一步扩展更广泛的大脑区域，以探索大规模大脑网络中的连接交替。此外，尽管成像装置结合了脑电图和近红外光谱等多种神经成像方式，但排列密集的近红外光谱或脑电图光电二极管的空间有限。近红外阵列的稀疏设计为建立用于测量脑外信号的短分离通道提出了挑战。此外，未来需要对系统操作进行研究，以确定最佳刺激方案(即刺激强度和频率)，并增强大脑兴奋[17],[76],[77]。

此外，基于刺激方案，个性化闭环神经调节可以在我们未来的工作中开发用于治疗一般人群(例如，健康成人或整个儿童大脑发育)或阿尔茨海默病早期前驱症状的工作记忆丧失。

此外，基于脑电和近红外光谱(fNIRS)记录，提出了三个特征脑状态下的特征生物标志物，包括HbO均值和额叶皮层theta波段脑电功率，以评估tACS刺激效果。本研究表明，以1 min为间歇时间的重复性短时间TAC可用于记忆相关的康复。发现的生物标志物可作为神经反馈指标用于闭环神经模型治疗基于记忆丧失的脑部疾病(即阿尔茨海默病)的临床领域。