節(jié)律性經(jīng)顱交流電刺激對運動序列學習能力的影響

魏澤，許敏鵬,2，明東,2，穆思雨

1.天津大學精密儀器與光電子工程學院，天津市 300072；2.天津大學醫(yī)學工程與轉(zhuǎn)化醫(yī)學研究院，天津市300072

運動學習是一種基于新異經(jīng)驗或練習，以獲得復雜運動能力或環(huán)境適應能力的過程。運動學習初期主要是運動技能的獲得，經(jīng)過后期熟練鞏固，最終實現(xiàn)運動記憶的轉(zhuǎn)化[1]。訓練相關(guān)的神經(jīng)可塑性變化在運動學習初期就已經(jīng)存在，主要發(fā)生在初級運動皮層(primary motor cortex,M1)、功能相關(guān)皮質(zhì)區(qū)域以及皮下區(qū)域組成的運動功能網(wǎng)絡[2]。腦電α (8～12 Hz)和β頻段(13～30 Hz)存在同步性神經(jīng)振蕩活動，且該頻段振蕩活動可誘發(fā)大腦皮層的神經(jīng)可塑性變化，進而促進運動學習能力[3]。α 和β 頻段對運動控制的模式不同，α 頻段的同步性振蕩活動與人的自發(fā)性運動控制相關(guān)，β頻段則與運動控制的學習過程相關(guān)[4]，如運動序列學習任務。

序列反應時任務(serial reaction time task,SRTT)是研究運動學習能力的經(jīng)典實驗范式，它觀察一段時間內(nèi)運動學習能力的變化[4]。Giovannella等[5]發(fā)現(xiàn)，經(jīng)顱直流電刺激(transcranial direct current stimulation,tDCS)可以縮短SRTT 的反應時。tDCS 的作用機制為以恒定弱電流調(diào)節(jié)神經(jīng)元靜息膜電位和/或突觸活性，以極性依賴的方式調(diào)節(jié)皮質(zhì)興奮性[6]。經(jīng)顱交流電刺激(transcranial alternating current stimulation,tACS)確切的作用機制尚不清楚，可能在刺激期間引起大腦內(nèi)源性神經(jīng)振蕩[7]，也可能在持續(xù)刺激停止后引起神經(jīng)可塑性變化[8]；tACS 可能在紊亂性腦電節(jié)律相關(guān)疾病的治療有巨大潛力[9-11]。目前廣泛接受的tACS 調(diào)節(jié)認知功能的機制為頻率跟隨響應(frequency following response,FFR)[12]和脈沖時間依賴的可塑性(spike time dependent plasticity,STDP)[13-14]。前者為大腦皮層受到外界刺激時，神經(jīng)元集群產(chǎn)生電活動，這一內(nèi)源性響應與外部電刺激信號具有相位相干性[15-16]；后者為突觸前后神經(jīng)元相對脈沖可以調(diào)節(jié)突觸的連接強度，進而調(diào)節(jié)大腦皮層可塑性[17-18]。有研究推測[19]，tACS 后的效應與STDP 引起突觸變化有關(guān)。Salmela 等[20]發(fā)現(xiàn)，雙側(cè)M1 10 Hz、30 Hz 電刺激會影響運動皮層的興奮性，影響程度受到刺激頻率的調(diào)制。

tACS 結(jié)合腦電是研究tACS 效應和作用機制的重要方法。β頻段(10～30 Hz)電刺激可以改善運動學習能力[21]。本研究觀察20 Hz tACS 前后，受試者反應時、反應正確率的行為學變化，腦電數(shù)據(jù)的事件相關(guān)譜擾動(event-related spectral perturbation,ERSP)差值分析，推測單側(cè)tACS對M1區(qū)域的調(diào)制作用及其生理機制。

1 對象與方法

1.1 研究對象

2017 年12 月，招募天津大學本科生60 例參與本次研究，其中男性40 例，女性20 例；年齡20～25 歲；均為右利手；受試者實驗期間均身心健康，視力或矯正視力正常；實驗期間保證精神狀態(tài)良好。實驗開始前要求受試者熟悉按鍵操作流程，適應按鍵節(jié)奏，避免由于按鍵熟練程度對實驗結(jié)果造成影響。

本研究經(jīng)天津大學倫理審查委員會批準。實驗前所有受試者均閱讀實驗相關(guān)說明和注意事項，并簽署知情同意書。

1.2 方法

1.2.1 實驗材料

雙手手指位置圖見圖1。左手(1)～(4)依次呈現(xiàn)左手小、環(huán)、中、示指對應按鍵；右手(1)～(4)依次呈現(xiàn)小、環(huán)、中、示指對應按鍵。受試者根據(jù)圖片中異色點亮矩形，迅速用相應手指按鍵。8 張圖片在電腦屏幕中央隨機重復出現(xiàn)20 次，刺激前、后各80 個試次。

圖1 按鍵任務刺激圖片

1.2.2 腦電圖

采用多通道腦電采集系統(tǒng)(美國NEUROSCAN 公司)和配套的Synamps2 放大器，完成腦電信號的實時記錄與采集。導聯(lián)阻抗＜15 kΩ，采樣頻率1 kHz，濾波帶通0.5～80 Hz，參考電極置于右側(cè)乳突。

1.2.3 電刺激

采用DC-Stimulator 電刺激儀(德國NEUROCONN公司)，活性電極分別置于電極帽C3 和C4 導聯(lián)位置，參考電極置于右側(cè)乳突，接地電極置于前額區(qū)FPz 與Fz 導聯(lián)連線中點。電刺激頻率20 Hz，持續(xù)20 min，電流強度基于個體進行特異性設(shè)置，為受試者不出現(xiàn)光幻視的最大電流。

1.2.4 實驗流程

每個試次開始時，屏幕中央并排出現(xiàn)四個灰色矩形，顯示“按任意鍵開始實驗”；隨后在屏幕正中央出現(xiàn)一張含有異色矩形的左手或右手圖片，受試者迅速做出對應按鍵反饋。每10 個試次為1 個block，結(jié)束后，黑色屏幕中央呈現(xiàn)平均反應時和錯誤個數(shù)。

本實驗包括4 種刺激條件，即C3 導聯(lián)真/偽刺激，C4 導聯(lián)真/偽刺激。實驗任務包括左手順序按鍵(LS)、左手隨機按鍵(LR)、右手順序按鍵(RS)和右手隨機按鍵(RR)。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理

記錄反應時和正確率，以及腦電數(shù)據(jù)的ERSP 差值分析。

以視覺刺激出現(xiàn)后200～600 ms為有效反應時，取80 個試次的平均值；以視覺刺激出現(xiàn)后200～600 ms的正確次數(shù)與實驗任務中所有按鍵次數(shù)160 次的比值作為正確率。以(LS-LR)反應時代表左手學習能力，(RS-RR)反應時代表右手學習能力

對采集到的腦電數(shù)據(jù)進行200 Hz 降采樣、1～35 Hz濾波等預處理。計算與頻段對應時間點內(nèi)單試次功率譜，以視覺刺激出現(xiàn)前100 ms作為基線，去除后得到單試次ERSP；各刺激條件下ERSP疊加平均，采用ERSP 多重差值分析法，將刺激前、刺激后ERSP 作差，計算順序、隨機序列任務下ERSP 之差，比較對側(cè)、同側(cè)ERSP之差并分析其顯著性。

計算每個block 各頻段、各時間點能量譜，去除基線(以block 開始前0.6 s 為基線)后得到各block 能量擾動；對各組別任務模式下ERSP 進行疊加平均。顯示左、右手ERSP之差。

1.3 統(tǒng)計學分析

左右手學習能力以柱狀圖表示，其他數(shù)據(jù)只描述統(tǒng)計學分析結(jié)果，不描述具體數(shù)據(jù)。采用SPSS 22.0軟件進行配對t檢驗。顯著性水平α=0.05。

2 結(jié)果

2.1 行為學

C4 真刺激條件下，LS 和LR 任務反應時縮短(LS:t=3.720,P=0.003。LR:t=2.222,P=0.034)；其他刺激條件下反應時無明顯變化。4 種刺激條件下，刺激前后受試者正確率無顯著性差異，均在95%以上。C4真刺激條件下，左、右手運動學習能力明顯提高(左手：t=3.118,P=0.005。右手：t=-3.320,P=0.002)；另外3 種刺激條件下，左、右手運動學習能力顯著變化。見圖2。

圖2 不同刺激條件下左右手運動學習能力變化

2.2 腦電圖

以橫軸表示腦電特殊頻帶，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)；縱軸表示LS-LR、RS-RR在特殊頻帶與時間平均的能量差值。

C3真刺激條件下，midrang-beta 和high-beta 頻 段左右手能量差值有顯著性差異，且右手能量變化高于左手；C4真刺激條件下，high-beta頻段左右手能量差值有顯著性差異，左手能量變化高于右手；C3 和C4偽刺激條件下，beta 頻段能量差值無顯著性差異。見圖3、圖4。

3 討論

本研究顯示，在C4 施加20 Hz tACS，能促進受試者的運動學習能力，且具有偏側(cè)化(左手)效應。在C3 施加20 Hz tACS，右手按鍵能力沒有得到改善，原因可能是受試者均為右利手，刺激效果存在天花板效應[22]。

tACS 對行為的影響與外部刺激對持續(xù)振蕩腦活動的影響類似[22]。外界刺激對大腦振蕩頻率的作用可調(diào)節(jié)大腦功能，并受刺激參數(shù)調(diào)制[22]。Samaha 等[23]認為，腦電β 節(jié)律代表當前運動和認知狀態(tài)的維持，low-β tACS 與大腦皮層low-β 節(jié)律振蕩相互作用，有助于運動學習過程中的功能重組。Giordano等[24]發(fā)現(xiàn)，對受試者M1 施加10 Hz tACS 有助于改善其SRTT 表現(xiàn)，但15 Hz 和30 Hz 刺激并無顯著影響。推測tACS對大腦功能的影響依賴于個體內(nèi)源性振蕩活動頻段。大腦對運動相關(guān)功能響應頻段主要集中于α 和β 頻段，而10 Hz tACS受隨機序列的干擾較大。所以本研究選擇20 Hz 作為刺激頻率。在SRTT 中，M1 放置陽極電極可增加皮質(zhì)興奮性，放置陰極電極抑制皮質(zhì)興奮性[25]。Meissner 等[26]發(fā)現(xiàn)，在受 試者右 側(cè)M1 施 加tDCS 15 min，SRTT 反應時縮短，證明M1 與運動學習相關(guān)。因此本研究選擇左右M1作為刺激位點。

圖3 C3真/偽刺激下左右手能量差值

圖4 C4真/偽刺激下左右手能量差值

綜上所述，20 Hz tACS 作用于M1，可以提高受試者運動學習能力，縮短反應時間。研究表明[26]，運動序列學習可能受tACS 的頻率、作用時間和作用位置影響。后期我們將探究不同頻率tACS 下的腦電響應，為tACS調(diào)控參數(shù)優(yōu)化設(shè)計提供技術(shù)支撐。