工作記憶的神經(jīng)振蕩調(diào)控：基于神經(jīng)振蕩夾帶現(xiàn)象*

王鑫麟 邱曉悅 翁旭初 楊 平

·研究前沿(Regular Articles)·

工作記憶的神經(jīng)振蕩調(diào)控：基于神經(jīng)振蕩夾帶現(xiàn)象*

王鑫麟 邱曉悅 翁旭初 楊 平

(華南師范大學(xué)腦科學(xué)與康復(fù)醫(yī)學(xué)研究院; 廣東省心理健康與認(rèn)知科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; 心理應(yīng)用研究中心; 腦認(rèn)知與教育科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣州 510631)

工作記憶的神經(jīng)振蕩機(jī)制研究是當(dāng)前記憶領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。那么, 神經(jīng)振蕩僅僅是工作記憶過程的伴隨現(xiàn)象, 還是直接參與并調(diào)控了工作記憶的加工過程？已有研究發(fā)現(xiàn), 大腦內(nèi)部的神經(jīng)振蕩活動在外界節(jié)律性刺激的驅(qū)動下, 逐步與外界刺激節(jié)律相位同步化, 這一現(xiàn)象被稱為“神經(jīng)振蕩夾帶”。重復(fù)經(jīng)顱磁刺激(repetitive Transcranial Magnetic Stimulation, rTMS)和經(jīng)顱交流電刺激(transcranial Alternating Current Stimulation, tACS)干預(yù)研究基于此現(xiàn)象, 對大腦局部腦區(qū)施加節(jié)律性磁、電刺激, 進(jìn)而調(diào)控工作記憶過程中特定頻段的神經(jīng)振蕩活動、跨頻段的神經(jīng)振蕩耦合或跨腦區(qū)的神經(jīng)振蕩相位同步, 為神經(jīng)振蕩參與工作記憶加工提供較為直接的因果證據(jù)。未來研究需考慮從腦網(wǎng)絡(luò)的角度出發(fā), 調(diào)控多個腦區(qū)之間的神經(jīng)振蕩活動, 進(jìn)一步考察神經(jīng)振蕩對工作記憶的影響。此外, 還需注意探索和優(yōu)化rTMS/tACS調(diào)控工作記憶的刺激方案, 并輔以客觀的腦電記錄, 提高該類研究的有效性和可重復(fù)性, 最終達(dá)到提高工作記憶能力的目的。

工作記憶, 神經(jīng)振蕩夾帶, 重復(fù)經(jīng)顱磁刺激, 經(jīng)顱交流電刺激

1 引言

工作記憶(working memory, WM)是大腦高級認(rèn)知功能的核心組成部分, 它將離散的信息進(jìn)行暫時的存儲和加工, 對指導(dǎo)個體正在(或即將)發(fā)生的認(rèn)知行為具有重要意義(Baddeley, 2010)。工作記憶的神經(jīng)機(jī)制一直以來備受研究者的關(guān)注, 其中有兩個問題至關(guān)重要: 一是工作記憶有哪些腦區(qū)參與; 二是這些腦區(qū)在何時、以何種神經(jīng)振蕩方式參與工作記憶過程。針對第一個問題, 大量功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging, fMRI)研究已發(fā)現(xiàn)個體在進(jìn)行工作記憶任務(wù)時會不同程度地引起背外側(cè)前額葉皮層、頂葉和枕葉等區(qū)域的激活, 進(jìn)而建立起不同腦區(qū)激活與工作記憶之間的聯(lián)系(Ambrose et al., 2016; Christophel et al., 2018; Ester et al., 2009, 2015; Gayet et al., 2017; Xu & Chun, 2006)。同時, 非侵入性腦刺激技術(shù)(non-invasive brain stimulation, NIBS): 如經(jīng)顱磁刺激(transcranial magnetic stimulation, TMS)和經(jīng)顱直流電刺激(transcranial direct current stimulation, tDCS), 可通過對特定腦區(qū)施加抑制性或興奮性的磁、電刺激, 暫時地干擾局部腦區(qū)的神經(jīng)激活, 進(jìn)一步推斷特定腦區(qū)的神經(jīng)激活和工作記憶任務(wù)之間的因果關(guān)系(Arciniega et al., 2018; Berryhill et al., 2019; R?hner et al., 2018; Silvanto & Soto, 2012)。然而, 該類研究強(qiáng)調(diào)腦區(qū)激活對于工作記憶過程的重要性, 很難對工作記憶進(jìn)程中特定腦區(qū)的神經(jīng)振蕩活動以及多腦區(qū)之間神經(jīng)活動同步性的動態(tài)變化過程進(jìn)行檢測, 因而無法進(jìn)一步探究第二個問題。

與此同時, 利用腦磁圖(Magnetoencephal-ographic, MEG)和腦電圖(electroencephalographic, EEG)開展的神經(jīng)電生理學(xué)研究具有良好的時間分辨率, 研究者可以通過研究工作記憶中的神經(jīng)振蕩現(xiàn)象來填補(bǔ)這一空白。大腦在執(zhí)行工作記憶任務(wù)時需要大量神經(jīng)元集群的參與, 神經(jīng)振蕩反映了大腦神經(jīng)元集群持續(xù)性的、有節(jié)律的活動, 保證不同神經(jīng)元集群之間能夠進(jìn)行高效率的信息交流(Bosman et al., 2012; Buzsáki et al., 2012)。神經(jīng)振蕩的頻率由慢到快依次被分為delta振蕩(0.5～4 Hz)、theta振蕩(4～8 Hz)、alpha振蕩(8～12 Hz)、beta振蕩(13～30 Hz)和gamma振蕩。gamma振蕩又可分為低頻(30～70 Hz)和高頻(70～150 Hz) gamma振蕩。已有的大量EEG和MEG研究發(fā)現(xiàn), 大腦局部腦區(qū)的神經(jīng)振蕩活動、不同腦區(qū)間的神經(jīng)振蕩耦合(腦網(wǎng)絡(luò))均與工作記憶的加工過程密切相關(guān)(Bonnefond & Jensen, 2012; Honkanen et al., 2015; Roux & Uhlhaas, 2014): 如額葉皮層和特定視覺皮層的gamma振蕩與工作記憶過程中客體特征信息的維持有關(guān); 左側(cè)顳葉theta-gamma振蕩的互頻耦合反映了個體記憶視覺信息的精確度。這些研究一定程度上可以闡明不同腦區(qū)是何時、以何種神經(jīng)振蕩方式支持工作記憶加工進(jìn)程, 但同時也引出了一個更為重要的問題: 神經(jīng)振蕩僅僅是工作記憶加工的伴隨現(xiàn)象, 還是直接參與并調(diào)控了這一過程？

為回答上述這一問題, 研究者通過調(diào)控局部腦區(qū)或不同腦區(qū)之間的神經(jīng)振蕩, 干擾神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的局部節(jié)點(diǎn), 繼而建立腦區(qū)?神經(jīng)振蕩?工作記憶行為之間的因果關(guān)系。近些年研究發(fā)現(xiàn), 對大腦神經(jīng)振蕩的調(diào)控可以通過 “神經(jīng)振蕩夾帶(Entrainment of neural oscillation)”技術(shù)實(shí)現(xiàn), 它的原理是外界有節(jié)律的刺激施加于大腦, 與大腦特定腦區(qū)相應(yīng)節(jié)律的神經(jīng)振蕩相互作用直至同步化, 進(jìn)而調(diào)控大腦內(nèi)部的神經(jīng)振蕩活動(Thut et al., 2011)。外界有節(jié)律的刺激包括: 節(jié)律性的知覺刺激, 如有節(jié)律的聲音和圖像; 節(jié)律性的非侵入性腦刺激, 如重復(fù)經(jīng)顱磁刺激(repetitive transcranial magnetic stimulation, rTMS)和經(jīng)顱交流電刺激(transcranial alternating current stimulation, tACS)。其中, 有節(jié)律的知覺刺激往往用于驅(qū)使大腦感知覺皮層產(chǎn)生特定節(jié)律的神經(jīng)振蕩(Garcia et al., 2017; Spaak et al., 2014)。而節(jié)律性的NIBS, 如rTMS和tACS兩種技術(shù), 則能夠針對性地調(diào)控感興趣腦區(qū)特定頻段的神經(jīng)振蕩活動, 進(jìn)而推斷神經(jīng)振蕩在工作記憶中具體作用的因果關(guān)系(Reinhart & Nguyen, 2019; Vosskuhl et al., 2018)。

本文重點(diǎn)回顧了近年來節(jié)律性NIBS調(diào)控工作記憶神經(jīng)振蕩的相關(guān)研究。首先對節(jié)律性NIBS調(diào)制神經(jīng)振蕩的原理與方法進(jìn)行介紹。然后, 根據(jù)先前研究發(fā)現(xiàn)的不同頻段神經(jīng)振蕩在工作記憶中的作用, 系統(tǒng)梳理節(jié)律性NIBS調(diào)控神經(jīng)振蕩、進(jìn)而影響工作記憶能力的研究進(jìn)展, 為回答神經(jīng)振蕩是否直接參與工作記憶加工這一問題提供因果證據(jù), 啟發(fā)未來的研究方向。最后對節(jié)律性NIBS干預(yù)工作記憶研究的局限性和改進(jìn)方案進(jìn)行討論。

2 對大腦神經(jīng)振蕩的調(diào)制: 神經(jīng)振蕩夾帶現(xiàn)象

2.1 神經(jīng)振蕩夾帶的基本原理

神經(jīng)振蕩夾帶的基本原理：外界的節(jié)律性刺激可引起大腦相應(yīng)腦區(qū)同步的神經(jīng)振蕩活動, 使大腦內(nèi)部的神經(jīng)振蕩與外界節(jié)律性刺激產(chǎn)生相位鎖定, 實(shí)現(xiàn)大腦神經(jīng)振蕩與外界節(jié)律性刺激的同步化(Thut et al., 2011; Lakatos et al., 2019)。在神經(jīng)振蕩夾帶現(xiàn)象發(fā)生過程中, 受刺激腦區(qū)的神經(jīng)振蕩活動主要有兩方面的改變: 一是大腦內(nèi)源性神經(jīng)振蕩的相位與外界節(jié)律性刺激的相位愈發(fā)同步, 二是由相位同步導(dǎo)致刺激部位特定頻率的神經(jīng)振蕩幅值增加。根據(jù)Hanslmayr等人提供的模型(Hanslmayr et al., 2019): 起初, 神經(jīng)元集群處于基線狀態(tài)(baseline), 即無規(guī)則的放電活動狀態(tài); 當(dāng)節(jié)律性刺激施加于大腦后, 神經(jīng)元集群的活動出現(xiàn)規(guī)則化, 其活動頻率趨向于與外界節(jié)律性刺激同步化, 其活動相位也逐步向外界節(jié)律性刺激的頻率相位移動, 進(jìn)入節(jié)律同步化形成階段(Build-up); 最后, 大腦神經(jīng)振蕩與外界節(jié)律性刺激兩者之間的相位差值為零, 同步化程度最大, 該頻率的神經(jīng)振蕩幅值也達(dá)到最大(fully entrained)。當(dāng)節(jié)律性刺激移除后, 神經(jīng)元集群的同步化現(xiàn)象不會馬上消失, 而是會持續(xù)幾個周期, 產(chǎn)生夾帶回波(entrainment echo), 隨后慢慢地恢復(fù)到基線狀態(tài)。

2.2 神經(jīng)振蕩夾帶的實(shí)現(xiàn)方法

神經(jīng)振蕩夾帶現(xiàn)象可以通過節(jié)律性的NIBS實(shí)現(xiàn), 主要包括rTMS和tACS兩種技術(shù)。TMS利用瞬變的高強(qiáng)度脈沖磁場穿過顱骨, 誘導(dǎo)大腦皮層產(chǎn)生感應(yīng)電流, 從而刺激神經(jīng)元活動, 而節(jié)律性的rTMS則可影響神經(jīng)元集群相應(yīng)節(jié)律的神經(jīng)振蕩活動(Vosskuhl et al., 2018)。針對rTMS的神經(jīng)振蕩夾帶效應(yīng), 具有代表性的一項(xiàng)研究是Thut等人(2011)進(jìn)行的TMS-EEG實(shí)驗(yàn)。他們對被試大腦頂葉施加10 Hz的alpha-rTMS刺激, 并同步記錄EEG信號(Thut et al., 2011)。結(jié)果發(fā)現(xiàn), 相比于控制條件, alpha-rTMS能夠顯著誘導(dǎo)被刺激腦區(qū)產(chǎn)生同步的alpha節(jié)律神經(jīng)振蕩, 且隨著大腦內(nèi)部alpha振蕩相位與外界alpha-rTMS相位逐漸同步, 被刺激腦區(qū)的alpha振蕩幅值也逐漸增加。此外, 該研究通過設(shè)置rTMS偽刺激條件(TMS線圈抬起與頭皮呈45°角, 避免直接的TMS磁場刺激)作為對照, 控制了節(jié)律性rTMS的聽覺噪聲誘導(dǎo)大腦產(chǎn)生alpha頻段神經(jīng)振蕩的可能。該研究為節(jié)律性rTMS刺激誘發(fā)大腦神經(jīng)振蕩夾帶觀點(diǎn)提供了有力證據(jù), 也為今后的rTMS實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作提供了極有價值的參考。

另一種節(jié)律性NIBS是tACS, 它通過在被試頭部貼附電極, 施加微弱的節(jié)律性交流電刺激, 進(jìn)而誘導(dǎo)神經(jīng)元集群產(chǎn)生相同節(jié)律的神經(jīng)振蕩(Antal & Paulus, 2013)。tACS誘導(dǎo)的神經(jīng)振蕩夾帶現(xiàn)象較為直觀的證據(jù)來源于Helfrich等人(2014)的同步tACS-EEG實(shí)驗(yàn), 研究者利用10 Hz的alpha- tACS刺激被試大腦后頂枕皮層, 結(jié)果發(fā)現(xiàn), 相對于偽tACS刺激, 被刺激腦區(qū)alpha振蕩的相位在alpha-tACS的驅(qū)動下逐漸與tACS刺激的相位趨于同步, alpha振蕩能量增加(Helfrich et al., 2014)。此后, 關(guān)于tACS誘導(dǎo)產(chǎn)生的神經(jīng)振蕩夾帶現(xiàn)象, 也陸續(xù)在其他認(rèn)知任務(wù)中得到證實(shí)(Chander et al., 2016; Voss et al., 2014; Witkowski et al., 2016)。

3 利用NIBS夾帶神經(jīng)振蕩調(diào)節(jié)工作記憶的研究證據(jù)

基于“神經(jīng)振蕩夾帶”這一現(xiàn)象, 愈來愈多的研究者使用NIBS探究大腦神經(jīng)振蕩與工作記憶作用機(jī)制的具體問題。值得注意的是, 這些研究中, 僅有部分研究對節(jié)律性NIBS刺激誘導(dǎo)的神經(jīng)振蕩夾帶效應(yīng)進(jìn)行了檢測, 詳見表1。下面將依據(jù)參與工作記憶神經(jīng)振蕩的頻段(由慢到快), 對節(jié)律性NIBS夾帶神經(jīng)振蕩調(diào)節(jié)工作記憶的研究證據(jù)進(jìn)行詳述。

3.1 夾帶theta神經(jīng)振蕩調(diào)節(jié)工作記憶

3.1.1 額葉和頂葉腦區(qū)theta振蕩在工作記憶中的作用

額葉theta神經(jīng)振蕩與大腦在工作記憶過程中對認(rèn)知資源的需求和分配有關(guān)。最早由Jensen等人(2002)發(fā)現(xiàn)個體在對字母進(jìn)行有序編碼和維持過程中, 額葉的theta振蕩顯著增強(qiáng), 且存在記憶負(fù)荷效應(yīng), 因此研究者認(rèn)為額葉的theta振蕩與記憶資源的需求分配相關(guān)(Jensen & Tesche, 2002)。同樣的, Griesmayr等人(2010)發(fā)現(xiàn), 相比于簡單記憶任務(wù), 當(dāng)要求被試完成對記憶字母進(jìn)行重新排序的任務(wù)時, 被試在工作記憶維持期間theta振蕩在額葉尤其是背外側(cè)前額葉(dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC)的活動更為明顯(Griesmayr et al., 2010)。這些研究可能表明前額葉并非直接參與記憶信息的存儲, 而是更多地參與記憶信息的加工處理和認(rèn)知資源的分配, 進(jìn)而完成對記憶信息的維持。Beynel等人(2019)在延遲匹配字母排序任務(wù)中, 利用theta-rTMS在記憶編碼前或記憶維持期間刺激被試左側(cè)背外側(cè)前額葉皮層(dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC), 相比于偽刺激條件, 能夠顯著提高被試在高難度條件下的工作記憶準(zhǔn)確率(Beynel et al., 2019)。此外, 近期一項(xiàng)rTMS研究發(fā)現(xiàn), 在目標(biāo)物和干擾物同時存在的工作記憶范式中, 利用theta-rTMS (相比于非節(jié)律性rTMS)在工作記憶維持期間刺激左側(cè)DLPFC能夠顯著提高右側(cè)視野目標(biāo)信息的工作記憶容量, 說明額葉theta神經(jīng)振蕩能夠調(diào)控大腦將更多的認(rèn)知資源投入到目標(biāo)信息的優(yōu)先處理當(dāng)中(Riddle et al., 2020)。另外, 近年有研究者還發(fā)現(xiàn)額葉theta神經(jīng)振蕩與工作記憶提取階段新穎刺激的識別相關(guān)(Liang et al., 2017), 但對此目前尚未有因果論證的研究, 有待進(jìn)一步探究。

頂葉theta神經(jīng)振蕩在工作記憶的信息存儲和信息操縱中均扮演著重要角色, 具體表現(xiàn)為工作記憶維持期間頂葉theta振蕩幅值會隨著記憶負(fù)荷和記憶任務(wù)需求的增加而增加(Palva & Palva, 2011; Sauseng et al., 2010)。如Jau?ovec等人(2014)在工作記憶廣度測試中利用theta-tACS分別刺激被試的左側(cè)頂葉(P3電極點(diǎn))、右側(cè)頂葉(P4電極點(diǎn))和左側(cè)額葉(F3電極點(diǎn)), 結(jié)果發(fā)現(xiàn)與偽刺激條件相比, 刺激頂葉能夠顯著提高被試的工作記憶存儲能力, 且記憶存儲能力的提高在刺激左側(cè)頂葉時最為明顯, 然而刺激額葉時并未發(fā)現(xiàn)上述效應(yīng), 該結(jié)果表明頂葉theta振蕩在工作記憶存儲和更新中發(fā)揮了重要作用(Jau?ovec et al., 2014; Jau?ovec & Jau?ovec, 2014)。近來有研究者發(fā)現(xiàn)頂葉theta振蕩與工作記憶過程中的信息操縱也有關(guān)。Albouy等人(2017)發(fā)現(xiàn), 被試在執(zhí)行對音符進(jìn)行排序處理的聽覺工作記憶任務(wù)時, 與僅記憶音符的普通任務(wù)相比, 在工作記憶維持期間利用theta-rTMS (相對于非節(jié)律rTMS)刺激左側(cè)頂內(nèi)溝(intraparietal sulcus, IPS)能顯著提高被試的記憶準(zhǔn)確率, 而且該研究同步記錄的EEG信號顯示, theta-rTMS刺激不僅增強(qiáng)了IPS的theta振蕩能量, 也增強(qiáng)了左側(cè)IPS與右側(cè)DLPFC之間theta振蕩的相位同步性, 同時這種增強(qiáng)與聽覺工作記憶行為準(zhǔn)確率呈正相關(guān)(Albouy et al., 2017), 該研究結(jié)果明確了IPS的theta振蕩與聽覺工作記憶信息操縱之間的因果關(guān)系。

然而, 有研究者認(rèn)為頂葉IPS腦區(qū)的 theta神經(jīng)振蕩并不直接參與工作記憶的信息操縱。Griffiths和Kumar (2017)認(rèn)為IPS的theta-rTMS刺激增加了DLPFC和IPS之間theta振蕩信號的同步性, 促進(jìn)額頂腦區(qū)的信息傳遞, 加強(qiáng)了額葉對頂葉腦區(qū)的調(diào)控, 進(jìn)而才促進(jìn)了工作記憶信息操縱的行為表現(xiàn)(Albouy et al., 2017; Griffiths & Kumar, 2017)。類似的, Li等人(2017)在Sternberg記憶范式中, 在工作記憶維持期使用theta-rTMS刺激被試頂上小葉(superior parietal lobe, SPL), 并記錄EEG信號。結(jié)果發(fā)現(xiàn), theta-rTMS刺激同時增強(qiáng)了頂葉腦區(qū)theta振蕩的能量和額頂腦區(qū)之間theta振蕩的相位同步性, 使工作記憶行為準(zhǔn)確率得到顯著提高(Li et al., 2017)。因此, 調(diào)節(jié)額頂網(wǎng)絡(luò)中任一腦區(qū)的神經(jīng)振蕩, 都可能影響腦網(wǎng)絡(luò)中其他腦區(qū)的神經(jīng)振蕩, 故對該類研究結(jié)果的解釋需謹(jǐn)慎, 同時也體現(xiàn)了同步EEG記錄的重要性, 并啟發(fā)研究者可從腦網(wǎng)絡(luò)角度而非局部腦區(qū)變化去解釋NIBS的干預(yù)結(jié)果。

3.1.2 額頂、額顳腦區(qū)theta振蕩同步在工作記憶中的作用

除了單個腦區(qū), 在工作記憶過程中, 不同腦區(qū)如何協(xié)調(diào)和整合記憶信息也受到研究者的廣泛關(guān)注。以往研究發(fā)現(xiàn), 額頂、顳頂腦區(qū)之間的theta振蕩相位同步可以整合多個腦區(qū)的信息, 實(shí)現(xiàn)對工作記憶信息的加工和存儲(Daume et al., 2017; Fell & Axmacher, 2011; Fries, 2015; Payne & Kounios, 2009)。例如, 額頂皮層之間theta振蕩相位的耦合強(qiáng)度與工作記憶負(fù)荷(Payne & Kounios, 2009)、記憶信息操縱的難度(Sauseng et al., 2005)有關(guān), 能夠預(yù)測工作記憶容量(Kopp et al., 2006)。因此, 除了對單一的額葉或頂葉皮層施加theta節(jié)律的NIBS干預(yù)外, 大量研究利用tACS調(diào)節(jié)大腦功能網(wǎng)絡(luò)中不同腦區(qū)之間theta振蕩的相位同步性, 觀察其對工作記憶能力的影響(Alekseichuk et al., 2017; Polanía et al., 2012; Tseng et al., 2018)。其中, Polanía等人(2012)分別利用相位不同步(相位差為180°)和相位同步(相位差為0°)的theta-tACS (6 Hz)同時刺激被試前額葉(F3電極點(diǎn))與頂葉腦區(qū)(P3電極點(diǎn)), 結(jié)果發(fā)現(xiàn), 相比于相位不同步的刺激, 施加相位同步刺激的被試工作記憶行為反應(yīng)時更短(Polanía et al., 2012)。同樣的, Alekseichuk等人(2017)在視覺空間工作記憶任務(wù)中, 發(fā)現(xiàn)利用相位不同步的theta-tACS刺激額葉和頂葉皮層, 會減弱額葉和頂葉腦區(qū)之間的theta相位連接, 導(dǎo)致被試工作記憶能力(擊中率?虛報率)下降和反應(yīng)時增加(Alekseichuk et al., 2017)。

此外, 針對真實(shí)世界物體的感知加工主要涉及腹側(cè)視覺通路, 如顳葉皮層。根據(jù)工作記憶自上而下的調(diào)控機(jī)制, 顳葉腦區(qū)對于真實(shí)物體的加工和表征受到額葉的積極調(diào)控, 而這種跨腦區(qū)的調(diào)控可通過額顳腦區(qū)之間theta振蕩的相位同步實(shí)現(xiàn)(Daume et al., 2017; Fell & Axmacher, 2011)。近來一項(xiàng)針對老年人的MEG研究發(fā)現(xiàn), 與年輕被試相比, 老年被試前額和顳葉腦區(qū)之間theta振蕩的同步化程度較弱, 研究者認(rèn)為這可能是導(dǎo)致老年人工作記憶受損的重要原因。在此基礎(chǔ)上, 研究者利用高精度的theta-tACS同時刺激被試的額葉和顳葉皮層, 并調(diào)控兩腦區(qū)theta-tACS的相位差, 分別為0°(相位同步)和180°(相位不同步), 結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有0°相位差的theta-tACS能夠加強(qiáng)老年被試額顳腦區(qū)之間theta振蕩的相位同步性, 并提高工作記憶的行為表現(xiàn)(反應(yīng)時, 準(zhǔn)確率) (Reinhart & Nguyen, 2019), 表明額顳網(wǎng)絡(luò)的theta振蕩相位同步在工作記憶跨腦區(qū)的信息傳遞中具有重要意義。

3.2 夾帶alpha神經(jīng)振蕩調(diào)節(jié)工作記憶

頂枕皮層的alpha神經(jīng)振蕩與工作記憶中對干擾信息的抑制能力密切相關(guān)(Bonnefond & Jensen, 2012; Jensen et al., 2002; Klimesch et al., 2007; Rihs et al., 2007; van Dijk et al., 2010)。如Sauseng等人(2009)利用雙側(cè)視野工作記憶范式, 發(fā)現(xiàn)在工作記憶維持期間, 大腦頂枕葉出現(xiàn)明顯的alpha振蕩偏側(cè)化效應(yīng), 與抑制干擾物相關(guān)的腦區(qū)alpha振蕩能量升高, 且隨著干擾物數(shù)目的增加而增加(Sauseng et al., 2009)。為進(jìn)一步探究alpha振蕩對工作記憶干擾信息的抑制作用, 他們利用alpha-rTMS (10 Hz)在工作記憶維持期刺激被試右側(cè)頂葉(P4電極), 結(jié)果發(fā)現(xiàn), alpha-rTMS (相對于15 Hz-rTMS刺激)刺激記憶項(xiàng)呈現(xiàn)視野的同側(cè)腦區(qū)時(即抑制干擾物處理), 能夠顯著提高被試的工作記憶容量, 相反, 當(dāng)rTMS刺激對側(cè)腦區(qū)時(即抑制目標(biāo)物處理), 則會降低被試的工作記憶容量, 從而驗(yàn)證了工作記憶維持期間頂枕腦區(qū)alpha振蕩的干擾抑制效應(yīng)。此后, 在老年人的認(rèn)知研究中也得到類似的結(jié)果(Borghini et al., 2018; Grande et al., 2017), 例如, Borghini等人(2018)根據(jù)前人研究推測與年齡相關(guān)的認(rèn)知衰退(如工作記憶準(zhǔn)確率下降)可能與抑制干擾信息能力的下降有關(guān), 研究采用有回溯線索和干擾信息的工作記憶任務(wù), 發(fā)現(xiàn)在老年被試的右側(cè)頂葉(P4電極)施加alpha-tACS刺激(相對于偽tACS刺激)能夠顯著提升老年被試的干擾抑制能力, 提高記憶準(zhǔn)確率(Borghini et al., 2018)。不過, 上述研究對于刺激位置的選擇主要基于腦電電極的P4位點(diǎn), 其覆蓋的具體腦區(qū)易受個體差異影響, 因而未能建立具體腦區(qū)alpha振蕩與工作記憶之間的因果聯(lián)系。

由于以往研究發(fā)現(xiàn)IPS腦區(qū)在工作記憶存儲中扮演著重要角色(These & Thus, 2004; Todd & Marois, 2005; Xu & Chun, 2006), 且在工作記憶維持期間IPS的alpha振蕩活動伴隨著負(fù)荷效應(yīng)(Grimault et al., 2009), 較多研究者利用功能磁共振成像精確定位刺激靶點(diǎn), 探究IPS腦區(qū)alpha振蕩在干擾抑制中的作用。例如, Emrich等人(2017)在延遲匹配任務(wù)中, 利用10 Hz的alpha-rTMS在工作記憶維持期間刺激被試左側(cè)IPS腦區(qū), 發(fā)現(xiàn)能夠提高被試的工作記憶容量, 不過這種情況僅存在于基線狀態(tài)下(未接受TMS干預(yù))工作記憶容量較低的被試中(Emrich et al., 2017)。另外, Riddle等人(2020)對左側(cè)IPS施加alpha-rTMS刺激(相對于非節(jié)律rTMS)也顯著提高了被試的干擾抑制能力, 提升工作記憶容量, 證明了IPS腦區(qū)的alpha神經(jīng)振蕩在干擾抑制中的頻率特異性和腦區(qū)特異性(Riddle et al., 2020)。

3.3 夾帶gamma振蕩調(diào)節(jié)工作記憶

gamma振蕩(>30 Hz)與視覺工作記憶中客體信息表征的維持有關(guān)(Milner, 1974)。Howard等人(2003)通過顱內(nèi)電信號記錄的方式, 發(fā)現(xiàn)在Sternberg任務(wù)中, 被試枕葉、顳葉和額葉誘發(fā)了顯著的gamma振蕩活動, 且隨著記憶負(fù)荷的增加而增強(qiáng)(Howard et al., 2003)。來自頭皮EEG和MEG的證據(jù)也表明, 額葉腦區(qū)gamma振蕩活動受記憶表征數(shù)目和復(fù)雜度的影響, 呈現(xiàn)出記憶負(fù)荷效應(yīng), 與工作記憶容量顯著相關(guān)(Honkanen et al., 2015; Roux & Uhlhaas, 2014)。據(jù)此, 有研究者利用gamma-tACS刺激被試左側(cè)DLPFC (F3電極), 發(fā)現(xiàn)在高記憶負(fù)荷條件下, 被試的工作記憶表現(xiàn)顯著提高(Hoy et al., 2015)。然而, Santarnecchi等人(2015)采用同樣的gamma-tACS刺激左側(cè)額葉(F3電極), 卻并未發(fā)現(xiàn)其對工作記憶表現(xiàn)有顯著影響(Santarnecchi et al., 2016)。Pahor等人(2018)采用gamma-tACS刺激被試雙側(cè)額葉(F3和F4電極)時, 相較于偽刺激也未發(fā)現(xiàn)工作記憶表現(xiàn)的顯著變化(Pahor & Jau?ovec, 2018)。究其原因, 一方面tACS干預(yù)效果容易受任務(wù)難度和個體差異的影響, 而Santarnecchi等人沒有調(diào)控工作記憶任務(wù)的難度, 如記憶項(xiàng)數(shù)量; 另一方面Pahor等人通過同步EEG信號發(fā)現(xiàn)gamma-tACS并未產(chǎn)生神經(jīng)振蕩夾帶效應(yīng)。此外, Tseng等人利用相位差為180°的gamma-tACS同時刺激左側(cè)頂葉和顳葉, 發(fā)現(xiàn)可以提高視覺工作記憶的辨別力。該結(jié)果在一定程度上表明了在工作記憶過程中顳葉和頂葉皮層之間通過gamma振蕩進(jìn)行信息交流, 腦區(qū)之間的gamma振蕩存在180°的相位時滯(Tseng et al., 2016), 但這種現(xiàn)象僅在工作記憶能力較差的個體中顯著。因此, 在未來研究中, 需注意調(diào)整工作記憶的任務(wù)難度、被試分組、提高NIBS干預(yù)靶點(diǎn)定位的精準(zhǔn)性以及結(jié)合同步的EEG進(jìn)行神經(jīng)振蕩監(jiān)測。

3.4 夾帶跨頻率振蕩耦合調(diào)節(jié)工作記憶

除了單一頻段的神經(jīng)振蕩, 不同頻段神經(jīng)振蕩的相互耦合(Cross-frequency coupling, CPC)也在工作記憶中發(fā)揮著重要作用(Siebenhühner et al., 2016)。低頻率的神經(jīng)振蕩(theta、alpha、beta)常常與更高頻率的神經(jīng)振蕩(gamma)同時出現(xiàn), 其中, 高頻的神經(jīng)振蕩反映了神經(jīng)元集群對外界信息的編碼和表征(Jensen et al., 2007), 低頻的神經(jīng)振蕩反映了腦區(qū)間的信息傳遞(Daume et al., 2017)。因此, 可以通過調(diào)控不同頻段神經(jīng)振蕩的耦合驗(yàn)證其在工作記憶中的具體作用。

3.4.1 theta-gamma振蕩在工作記憶中的作用

大腦額頂葉皮層的theta-gamma耦合與工作記憶信息的編碼和存儲有關(guān)(Fuentemilla et al., 2010; Rutishauser et al., 2010; Sauseng et al., 2019)。根據(jù)theta-gamma耦合模型: 個體gamma振蕩的單個子周期代表單個記憶客體的神經(jīng)表征, 單個theta振蕩周期可以內(nèi)嵌多個gamma振蕩子周期。因此, theta振蕩單個周期里波峰內(nèi)嵌的gamma振蕩子周期個數(shù)越多, 則個體表征的客體數(shù)量越多(Lisman & Jensen, 2013)。那么, 若通過神經(jīng)振蕩夾帶的方法增加特定腦區(qū)theta振蕩周期的長度, 則內(nèi)嵌的gamma振蕩子周期個數(shù)增加, 進(jìn)而提高被試的記憶容量。近年的tACS研究結(jié)果也驗(yàn)證了以上假設(shè)(Bender et al., 2019; Vosskuhl et al., 2015; Wolinski et al., 2018), 研究者在空間工作記憶任務(wù)中, 分別采用低頻(4 Hz)和高頻(7 Hz)的theta-tACS刺激大腦右側(cè)IPS, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)較低頻率(4 Hz)的theta-tACS能夠顯著提升被試的工作記憶容量。不過遺憾的是, 這些研究并未提供同步EEG記錄的證據(jù)。

此外, theta-gamma耦合模型假設(shè), 當(dāng)gamma子周期內(nèi)嵌在theta單個周期的波峰(神經(jīng)元激活狀態(tài))時, 個體對客體信息的表征編碼效率最高(Lisman & Jensen, 2013)。Alekseichuk等人(2016)利用tACS-EEG結(jié)合的技術(shù), 在空間工作記憶任務(wù)中分別利用單節(jié)律theta (6 Hz)和theta-gamma復(fù)合節(jié)律(gamma子周期分別嵌套在theta單個周期波峰、波谷)的tACS刺激左側(cè)前額葉(prefrontal cortex, PFC)。結(jié)果發(fā)現(xiàn), gamma子周期嵌套在theta單個周期波峰的復(fù)合節(jié)律tACS刺激與單節(jié)律theta-tACS刺激均能夠提高被試在工作記憶任務(wù)中的辨別力, 但前者優(yōu)于后者; 而利用gamma振蕩子周期嵌套在theta振蕩單個周期波谷的復(fù)合節(jié)律tACS刺激左側(cè)PFC, 則無此效應(yīng)(Alekseichuk et al., 2016)。靜息態(tài)EEG提供的證據(jù)也發(fā)現(xiàn), 相比于其它條件, 左側(cè)PFC在接受gamma振蕩子周期嵌套在theta振蕩單個周期波峰的復(fù)合節(jié)律tACS刺激后, PFC與其它腦區(qū)之間theta振蕩的相位同步性顯著增強(qiáng)。但由于頭皮EEG對于高頻gamma活動的檢測能力有限, 復(fù)合節(jié)律的tACS在刺激部位是否成功地夾帶誘導(dǎo)出相同模式的神經(jīng)振蕩, 還無法被完全證實(shí), 未來可以考慮使用MEG等其它技術(shù)解決此類問題。不過, 上述研究為tACS模擬大腦神經(jīng)振蕩的活動模式提供了新思路, 也為利用復(fù)合頻率的電刺激研究跨頻耦合和認(rèn)知功能之間的因果關(guān)系提供了新途徑。

3.4.2 alpha-gamma振蕩在工作記憶中的作用

以往的研究證據(jù)顯示, 大腦后部頂枕腦區(qū)的alpha-gamma振蕩耦合與外界信息處理門控有關(guān), 它負(fù)責(zé)抑制與任務(wù)無關(guān)的干擾物進(jìn)入視覺編碼和記憶存儲(Bonnefond & Jensen, 2013, 2015; Jokisch & Jensen, 2007)。alpha-gamma耦合模型認(rèn)為, 多個gamma振蕩子周期內(nèi)嵌于alpha振蕩單個周期的波谷, alpha振蕩單個周期縮短, gamma子周期數(shù)減少, 工作記憶的表征受到抑制(Bonnefond & Jensen, 2013)。因此, alpha-gamma耦合強(qiáng)度的增加也意味著大腦對干擾物抑制程度的增加。例如, Bonnefond等人(2015)采用了Sternberg工作記憶任務(wù), 并在記憶維持期間設(shè)置了強(qiáng)/弱兩種干擾物信息, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)在干擾物出現(xiàn)前, 后頂枕部皮層會出現(xiàn)顯著的alpha-gamma振蕩耦合, 且耦合程度隨干擾物強(qiáng)度的增加而增強(qiáng)(Bonnefond & Jensen, 2015)。而當(dāng)任務(wù)相關(guān)信息從感知編碼進(jìn)入到記憶系統(tǒng)中, 進(jìn)行進(jìn)一步加工時, 頂葉alpha-gamma振蕩耦合則會減弱(Tzvi et al., 2018)。先前也有研究者發(fā)現(xiàn), 利用10 Hz的rTMS在記憶維持階段刺激頂上小葉后, 被刺激腦區(qū)的alpha振蕩能量和alpha-gamma耦合程度都增強(qiáng)了, 且均與被試工作記憶行為表現(xiàn)的下降顯著相關(guān)(Hamidi et al., 2009)。上述研究的一個啟發(fā)在于采用alpha節(jié)律的NIBS干預(yù), 不僅能調(diào)控alpha頻率的神經(jīng)振蕩, 也能夠引起alpha-gamma振蕩耦合的變化。此外, 有研究通過靜息態(tài)EEG發(fā)現(xiàn)個體alpha振蕩的峰值頻率(Individual alpha-band frequency, IAF)并不相同(Klimesch et al., 2003)。因此, 針對個體分別施加慢于、等于或快于IAF節(jié)律的NIBS干預(yù), 似乎也是一種調(diào)控alpha-gamma振蕩耦合的嘗試。

3.4.3 beta-gamma振蕩在工作記憶中的作用

beta-gamma振蕩耦合被認(rèn)為是視覺信息在工作記憶中整合和維持的基礎(chǔ)(Bullmore & Sporns, 2009; Siebenhühner et al., 2016)。在前額葉皮層, 研究者采用皮層分層記錄方法, 發(fā)現(xiàn)深層(layers 5、6)神經(jīng)元的beta振蕩和淺層(layers 2、3)神經(jīng)元的gamma振蕩存在耦合(Bastos et al., 2018; Miller et al., 2018)。具體而言, 在工作記憶編碼與維持過程中, 前額葉深層beta振蕩與淺層gamma振蕩之間的耦合會減弱, 使得gamma振蕩能量變強(qiáng); 而無需加工信息時beta-gamma耦合程度則增強(qiáng), gamma振蕩能量逐漸被抑制(Miller et al., 2018)。同樣地, Bastos等人(2018)發(fā)現(xiàn)前額葉深層和淺層神經(jīng)元beta-gamma振蕩的耦合強(qiáng)度在工作記憶維持期有所降低, 間接支持了以上觀點(diǎn)(Miller et al., 2018)。然而, 現(xiàn)階段利用節(jié)律性NIBS調(diào)控單一腦區(qū)不同皮層深度的beta-gamma神經(jīng)振蕩的研究還不是很多, 是未來值得探討的一個研究方向。

針對于淺層皮層, 尚未有研究發(fā)現(xiàn)與工作記憶任務(wù)相關(guān)的局部腦區(qū)或跨腦區(qū)的beta-gamma振蕩耦合現(xiàn)象, 也沒有相應(yīng)的NIBS干預(yù)研究, 仍有待研究者進(jìn)一步探明。若單純考慮beta振蕩, 有研究者發(fā)現(xiàn)客體工作記憶中頂葉皮層(Lundqvist et al., 2011)和空間工作記憶中顳葉皮層(Proskovec et al., 2018)的beta振蕩幅值會隨著記憶負(fù)荷的增加而顯著下降。此外, 額葉皮層的beta振蕩幅值在記憶編碼階段降低(Hanslmayr et al., 2011), 這些均體現(xiàn)了beta振蕩的抑制功能。有研究者進(jìn)一步在記憶編碼階段, 對額下回施加beta-rTMS, 正如我們所預(yù)期的, beta-rTMS顯著抑制了記憶信息的編碼, 同時, 同步測量的EEG信號顯示rTMS干預(yù)成功誘導(dǎo)了beta振蕩的夾帶效應(yīng), 且beta振蕩幅值增強(qiáng)最大的被試記憶表現(xiàn)最差(Hanslmayr et al., 2014)。在其他的一些類似研究中, 研究者還發(fā)現(xiàn)在工作記憶維持期間, 視覺皮層和額頂葉皮層會誘發(fā)持續(xù)性的beta振蕩相位耦合(Bullmore & Sporns, 2009; Siebenhühner et al., 2016), 此外, IPS與周圍腦區(qū)之間的beta相位耦合強(qiáng)度會隨著記憶負(fù)荷的增加而增加(Palva et al., 2010)。因此, 未來的研究可以嘗試調(diào)控特定腦區(qū)的beta振蕩, 探究其對工作記憶行為表現(xiàn)的影響, 并進(jìn)一步探索beta-gamma耦合是否可以通過單一beta節(jié)律的干預(yù)進(jìn)行調(diào)控。

4 總結(jié)與展望

綜上所述, 節(jié)律性NIBS干預(yù)能夠使被刺激腦區(qū)產(chǎn)生神經(jīng)振蕩夾帶現(xiàn)象, 影響被試記憶表現(xiàn), 進(jìn)而為神經(jīng)振蕩活動的確參與調(diào)控了工作記憶的加工過程, 提供了較為直接的因果論證。值得注意的是, 相比于腦損傷研究, NIBS所驗(yàn)證的因果關(guān)系存在著一定程度的變異性。在腦損傷研究中, 特定腦區(qū)的損傷會使得個體的認(rèn)知功能產(chǎn)生臨時或永久的改變(Corrigan & Hammond, 2013), 研究者能夠得到特定腦區(qū)和特定認(rèn)知功能之間更為直接且確定的因果關(guān)系, 因此該類研究的可重復(fù)性高。而在NIBS研究中, 相同的NIBS刺激模式若應(yīng)用到不同腦區(qū)、不同任務(wù)中, 對工作記憶行為的影響也會有所不同(Jau?ovec & Jau?ovec, 2014; Pahor & Jau?ovec, 2018)。因此未來研究應(yīng)著重考量以下幾個方面, 以提高該類研究的有效性和可重復(fù)性。

4.1 rTMS和tACS的比較

節(jié)律性的rTMS和tACS均能誘發(fā)被干預(yù)腦區(qū)相同頻段的神經(jīng)振蕩活動, 并通過同步測量EEG信號獲得神經(jīng)振蕩夾帶的證據(jù)(Witkowski et al., 2016)。然而, rTMS和tACS技術(shù)各有所長, 在實(shí)際應(yīng)用過程中需要考慮它們的區(qū)別: 第一, 相比于tACS, 配有導(dǎo)航系統(tǒng)的rTMS具有較高的空間精度, 主要體現(xiàn)在配有導(dǎo)航系統(tǒng)的rTMS設(shè)備可結(jié)合個體的大腦結(jié)構(gòu)像實(shí)現(xiàn)被干預(yù)腦區(qū)的精準(zhǔn)定位, 而常規(guī)的無導(dǎo)航rTMS和tACS?；贓EG電極點(diǎn)位系統(tǒng)進(jìn)行靶點(diǎn)定位。已有的研究表明, NIBS基于EEG電極點(diǎn)位系統(tǒng)進(jìn)行靶點(diǎn)定位時, 干預(yù)效果不如基于個體結(jié)構(gòu)像的靶點(diǎn)定位(Sack et al., 2008); 第二, 相比于tACS, rTMS具有較高的時間精度。從以往研究中可知, 節(jié)律性rTMS常對實(shí)驗(yàn)任務(wù)中某一特定階段(如工作記憶維持期500ms時間窗)進(jìn)行干預(yù), 探究認(rèn)知過程中某一具體階段的神經(jīng)振蕩機(jī)制, 如頂葉theta振蕩對工作記憶信息維持階段的調(diào)控作用; 而tACS則更多對實(shí)驗(yàn)前或?qū)嶒?yàn)全程進(jìn)行干預(yù), 探究局部腦區(qū)神經(jīng)振蕩與認(rèn)知功能的關(guān)系, 干預(yù)時長一般為20分鐘(Helfrich et al., 2014; Witkowski et al., 2016); 第三, 相比于rTMS, tACS誘導(dǎo)刺激部位產(chǎn)生的神經(jīng)振蕩夾帶效應(yīng)更加集中在某一預(yù)設(shè)頻率上。rTMS-EEG同步的研究發(fā)現(xiàn), 特定節(jié)律的rTMS脈沖刺激不僅能夠誘導(dǎo)刺激腦區(qū)產(chǎn)生特定頻率的神經(jīng)振蕩活動, 還會在其它頻段產(chǎn)生脈沖偽跡(Thut et al., 2011); 而tACS由于正弦電流嚴(yán)格限制在一個頻率上, 除了預(yù)設(shè)刺激頻率之外不會引起大腦其他頻段的神經(jīng)振蕩活動(Herrmann et al., 2013), 因此對于rTMS刺激引起的神經(jīng)振蕩夾帶效應(yīng)需謹(jǐn)慎甄別; 第四, 相比于rTMS, tACS對多個腦區(qū)間神經(jīng)振蕩相位同步性的調(diào)控更加靈活。節(jié)律性rTMS干預(yù)可以促進(jìn)靶點(diǎn)腦區(qū)與其他腦區(qū)同頻率神經(jīng)振蕩的相位同步, 增強(qiáng)兩個腦區(qū)之間的功能連接(Albouy et al., 2017)。然而, 具備雙陽極的tACS可以同時對兩個腦區(qū)施加特定頻段同相位或反相位的節(jié)律性電刺激, 以增強(qiáng)或破壞兩腦區(qū)之間的功能連接(Violante et al., 2017)。此外, tACS還可以靈活施加自定義的theta-gamma復(fù)合節(jié)律, 從而直接干預(yù)特定腦區(qū)的互頻率耦合強(qiáng)度(Alekseichuk et al., 2016); 最后, 相比于rTMS, tACS沒有明顯的觸覺和噪聲感受, 這也是tACS更常用于兒童和老年人群體認(rèn)知干預(yù)研究的原因之一(Antal et al., 2017)。

4.2 神經(jīng)振蕩調(diào)控優(yōu)化策略

實(shí)驗(yàn)任務(wù)選擇。NIBS調(diào)節(jié)大腦神經(jīng)振蕩的研究通常是在某一具體實(shí)驗(yàn)任務(wù)中, 這使得研究結(jié)果具有較強(qiáng)的任務(wù)依賴性, 如節(jié)律性材料(圖片或聲音)的呈現(xiàn)會誘導(dǎo)大腦特定腦區(qū)產(chǎn)生相同頻段的神經(jīng)振蕩, 因此在選擇實(shí)驗(yàn)任務(wù)時需考慮并排除任務(wù)本身對大腦內(nèi)部神經(jīng)振蕩的影響。值得注意的是, NIBS與實(shí)驗(yàn)任務(wù)之間的交互作用也會對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響, 已有研究發(fā)現(xiàn)rTMS對任務(wù)表現(xiàn)的干擾效應(yīng)在高難度任務(wù)中更加顯著, 而對簡單任務(wù)的行為結(jié)果影響不大(Barr et al., 2013), 類似的發(fā)現(xiàn)也存在于電刺激實(shí)驗(yàn)中(Hoy et al., 2015; Violante et al., 2017)。因此, 在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時需要有效控制任務(wù)難度、設(shè)置對照組等。

關(guān)注被試個體差異。首先, 需考慮個體靜息態(tài)或任務(wù)態(tài)EEG神經(jīng)振蕩的峰值頻率, 如個體alpha振蕩的峰值頻率一般在8～12 Hz區(qū)間內(nèi)變化。因此, 在實(shí)驗(yàn)前若基于個體靜息態(tài)或任務(wù)態(tài)EEG神經(jīng)振蕩的峰值頻率定義NIBS干預(yù)頻率, 將有助于提升神經(jīng)振蕩的調(diào)控效果(Klimesch et al., 2003)。其次, 在干預(yù)前, 靶點(diǎn)腦區(qū)的活動狀態(tài)也會影響NIBS干預(yù)效果。如研究者基于fMRI發(fā)現(xiàn)DLPFC激活高的被試在rTMS干預(yù)后行為改變顯著, 而DLPFC激活低的被試則不受rTMS的影響(Sligte et al., 2011)。而且, 任務(wù)相關(guān)腦區(qū)的激活位點(diǎn)也存在個體差異, 因此基于個體fMRI激活的腦區(qū)進(jìn)行靶點(diǎn)定位能有效提升NIBS干預(yù)效果(Sack et al., 2008)。此外, 在個體認(rèn)知能力方面, 有研究發(fā)現(xiàn)NIBS干預(yù)能夠提高低工作記憶容量被試的工作記憶表現(xiàn), 而對于高記憶容量組被試的影響則不顯著(Hsu et al., 2014)。最后, NIBS的神經(jīng)振蕩夾帶效果也存在個體差異, 如Hamidi等人(2009)從群體水平并未發(fā)現(xiàn)alpha振蕩的神經(jīng)振蕩夾帶效應(yīng), 而從個體水平上發(fā)現(xiàn)alpha神經(jīng)振蕩夾帶效應(yīng)越強(qiáng)的被試其工作記憶行為表現(xiàn)越差(Hamidi et al., 2009), 因此對于該類研究結(jié)果需謹(jǐn)慎分析和解釋。

嚴(yán)格設(shè)計(jì)刺激方案。NIBS在刺激靶點(diǎn)的選擇方式、刺激強(qiáng)度、持續(xù)時間、線圈形狀、線圈方向等方面的變化均可影響刺激效果。目前, 感興趣腦區(qū)的定位方式共有四種, 按有效性從高到低依次排序?yàn)? 基于fMRI個體激活腦區(qū)、基于fMRI組分析激活腦區(qū)、基于個體結(jié)構(gòu)像MRI和基于EEG電極10-20系統(tǒng)點(diǎn)位(Sack et al., 2008), 在實(shí)際應(yīng)用中, 可依據(jù)實(shí)驗(yàn)條件選擇最優(yōu)方式。此外, 使用theta脈沖(theta burst stimulation, TBS)刺激被試運(yùn)動皮層, 若延長刺激的持續(xù)時間(較對照組增加一倍), 會使本來對皮層興奮性具有抑制作用的連續(xù)性TBS (cTBS)和對皮層興奮性具有促進(jìn)作用的間歇性TBS (iTBS)產(chǎn)生與預(yù)期結(jié)果相反的皮層興奮性改變(Gamboa et al., 2010)。也有研究者發(fā)現(xiàn), TMS線圈手柄方向平行于目標(biāo)腦回時, rTMS刺激效果最好(Thut et al., 2011)。而且, 由于NIBS對大腦皮層興奮性的影響在個體之間存在差異, 因此在設(shè)置刺激模式時需考慮被試特異性, 如在干預(yù)前測量被試的運(yùn)動閾值等。

對照組設(shè)置和同步EEG監(jiān)測。針對NIBS干預(yù)的頻率特異性, 實(shí)驗(yàn)除了設(shè)計(jì)感興趣頻率的NIBS干預(yù)外, 應(yīng)考慮增加其他頻率或非節(jié)律的NIBS干預(yù)作為對照。此外, 要提高NIBS干預(yù)效果, 還需考慮干預(yù)前、中和后不同階段同步EEG信號的采集和監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)前的靜息態(tài)/任務(wù)態(tài)EEG測量可以提取個體化神經(jīng)振蕩信息, 指導(dǎo)NIBS干預(yù)的頻率設(shè)置; 實(shí)驗(yàn)中和實(shí)驗(yàn)后EEG測量, 一方面可為節(jié)律性NIBS干預(yù)提供神經(jīng)振蕩夾帶的證據(jù), 另一方面也能探究全腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變化, 通過建立NIBS干預(yù)引發(fā)神經(jīng)振蕩活動或神經(jīng)振蕩網(wǎng)絡(luò)變化與行為表現(xiàn)變化的相關(guān)關(guān)系, 為神經(jīng)振蕩參與并調(diào)控認(rèn)知行為提供進(jìn)一步的因果論證。值得注意的是, 個體的大腦活動始終處于動態(tài)變化的狀態(tài), 那么如何讓NIBS根據(jù)大腦狀態(tài)的實(shí)時變化, 相應(yīng)地調(diào)整刺激方案, 對特定神經(jīng)活動實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、有效的調(diào)節(jié), 今后還需對NIBS與腦電、腦機(jī)接口技術(shù)的融合進(jìn)行優(yōu)化, 開展相關(guān)研究。

最后, 除了提高神經(jīng)振蕩調(diào)控的效率, 針對工作記憶問題的研究, 當(dāng)前研究多以局部腦區(qū)為刺激靶點(diǎn)進(jìn)行研究, 但是對于研究結(jié)果的解釋不一, 如利用tACS刺激記憶網(wǎng)絡(luò)中的特定節(jié)點(diǎn)可改善工作記憶能力, 這背后的機(jī)制是由于該節(jié)點(diǎn)的特異性激活, 或是所施加的電流傳播到與該節(jié)點(diǎn)直接相連的其他腦區(qū), 引起其他腦區(qū)激活, 研究者很難給出定論。隨著越來越多的理論把記憶涉及的腦區(qū)看作是一個網(wǎng)絡(luò), 而不是一個個獨(dú)立的記憶“中心” (Watrous et al., 2013; Winocur & Moscovitch, 2011), 要實(shí)現(xiàn)對記憶能力的有效調(diào)節(jié), 應(yīng)該考慮從腦網(wǎng)絡(luò)的角度促進(jìn)多個大腦“節(jié)點(diǎn)”之間的相互作用, 而不是簡單的局部刺激。此外, 針對節(jié)律性NIBS如何與大腦內(nèi)源的神經(jīng)振蕩相互作用產(chǎn)生夾帶效應(yīng)這一問題, 目前研究主要是基于簡單的計(jì)算模型和對神經(jīng)元活動的間接測量進(jìn)行推論, 關(guān)于NIBS如何影響大腦神經(jīng)元活動這一關(guān)鍵問題仍待解決。因此, 若要更好地理解夾帶效應(yīng)對大腦神經(jīng)元的影響, 未來有必要結(jié)合單細(xì)胞記錄、電刺激或建立神經(jīng)計(jì)算模型等多種方式進(jìn)行更多的研究。

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Modulating working memory related-oscillation via entrainment of neural oscillation

WANG Xinlin, QIU Xiaoyue, WENG Xuchu, YANG Ping

(Institute for Brain Research and Rehabilitation, South China Normal University; Guangdong Key Laboratory of Mental Health and Cognitive Science; Center for Studies of Psychological Application; Key Laboratory of Brain, Cognition and Education Sciences, Ministry of Education; Guangzhou 510631, China)

The study of the neural oscillation mechanism of working memory (WM) is one of the current research hotspots in the field of memory. However, it is yet not clear whether neural oscillations are only a concomitant phenomenon in the WM process, or if they are directly involved in and can help regulating the WM processing. Several studies have found that brain neural oscillatory activity could be driven by external rhythmic stimuli and gradually synchronizes with the phase of external rhythmic stimuli via a phenomenon known as “neural oscillatory entrainment”. Based on this, a lot of Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation (rTMS) and transcranial Alternating Current Stimulation (tACS) intervention studies conducted by modulating neural oscillatory activity in specific frequency bands, phase–amplitude synchronization and phase synchronization between brain regions provided more direct causal evidence of the relationship between neural oscillatory activity and working memory processing. Future studies may look into modulating multiple brain nodes underlying WM by a network approach via rTMS/tACS. Besides, to improve the effectiveness and repeatability of rTMS/tACS intervention, new research in the field should also clarify how to effectively apply rTMS/tACS intervention, supplemented with objective EEG recording to monitor the neural oscillation entrainment.

working memory, oscillation entrainment, rTMS, tACS

2020-12-10

*廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃資助(2019B030335001); 國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(32100847); 教育部人文社會科學(xué)研究一般項(xiàng)目(21YJC190019)。

楊平, E-mail: yangp@m.scnu.edu.cn

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