節(jié)律性聽(tīng)覺(jué)刺激下的神經(jīng)振蕩同步化及其應(yīng)用*

李經(jīng)緯 楊皓宇 胡 理 呂雪靖

（1）中國(guó)科學(xué)院心理研究所，中國(guó)科學(xué)院心理健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；2）中國(guó)科學(xué)院大學(xué)心理系，北京 100049）

1924 年，Hans Berger 第一次利用腦電技術(shù)記錄到人腦內(nèi)的節(jié)律性電活動(dòng)，并將觀測(cè)到的以10 Hz 頻率振蕩為主要特征的腦電活動(dòng)稱為alpha波［1］。隨后，研究者陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了其他頻段的腦電活動(dòng)，并逐漸意識(shí)到這類腦電活動(dòng)是大腦行使功能的一種基本活動(dòng)模式［2］，源于神經(jīng)元重復(fù)的節(jié)律性放電活動(dòng)在細(xì)胞集群中的整合。這種在皮層水平表現(xiàn)為一定頻率范圍內(nèi)的節(jié)律性電活動(dòng)被稱為神經(jīng)振蕩（neural oscillation）［3］。

在安靜無(wú)外界刺激時(shí)，大腦活動(dòng)并非完全靜止，神經(jīng)元仍保持活動(dòng)并維持相互之間的交流。如當(dāng)個(gè)體在閉眼且安靜狀態(tài)下，可以在其枕葉處觀察到明顯的alpha 振蕩（8~12 Hz），這反映了一種皮層的默認(rèn)活動(dòng)模式［1，4］。當(dāng)處理信息或受到外界刺激時(shí)，腦內(nèi)的默認(rèn)神經(jīng)振蕩模式也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，反映了某些與刺激加工相關(guān)的特定心理過(guò)程。例如，視皮層alpha 振蕩的能量和相位與個(gè)體對(duì)視覺(jué)刺激的探測(cè)能力有關(guān)［5-6］，通過(guò)調(diào)控個(gè)體視皮層alpha 振蕩，可以顯著改善視力受損個(gè)體的視野探測(cè)缺陷，提高對(duì)視覺(jué)刺激的探測(cè)能力［7-8］。此外，記憶與theta 頻段、認(rèn)知功能與gamma 頻段神經(jīng)振蕩之間的聯(lián)系也被許多研究證實(shí)：theta 頻段的神經(jīng)振蕩在工作記憶、情景記憶、陳述性記憶的形成中都起著關(guān)鍵作用，在海馬、海馬旁回等與記憶相關(guān)的皮質(zhì)區(qū)域也可以觀察到theta 頻段的局部場(chǎng)電位活動(dòng)［9］；gamma 振蕩被認(rèn)為是大腦行使認(rèn)知功能的一般活動(dòng)模式［10］，信息處理速度、工作記憶、抽象推理等認(rèn)知功能的行使往往伴隨著高頻gamma 活動(dòng)，在精神分裂癥、阿爾茨海默病等認(rèn)知功能受損的個(gè)體中也觀察到gamma 活動(dòng)的異常［11-12］。這些神經(jīng)振蕩模式與特定功能之間的聯(lián)系以及神經(jīng)振蕩的可調(diào)控性，提示或許可以通過(guò)某些外界干預(yù)的方式影響與某些功能相關(guān)的振蕩模式，調(diào)控行為任務(wù)表現(xiàn)，甚至在某些疾病的治療上提供幫助。例如，通過(guò)呈現(xiàn)特定頻率的外界刺激，可以引起大腦內(nèi)相應(yīng)頻率的神經(jīng)振蕩的變化，達(dá)到內(nèi)部振蕩與外界刺激節(jié)律同步的效果，這種現(xiàn)象在神經(jīng)生理學(xué)中被稱為節(jié)律同步化（entrainment），也可以稱為同步（synchronization）或相位鎖定（phase locking）［13］。

目前，基于外界節(jié)律性刺激調(diào)控大腦神經(jīng)振蕩的方式主要有3 類，侵入性刺激（如深部腦刺激、光遺傳技術(shù)等）、非侵入性刺激［14］（如經(jīng)顱電刺激、經(jīng)顱磁刺激、超聲刺激等）和節(jié)律性感覺(jué)刺激（如由單音組成的聲音序列）。前兩類是通過(guò)電/磁刺激等直接改變皮層神經(jīng)元的活動(dòng)模式，雖更加直接，但由于兩者均采用外部刺激直接作用于皮層，難以還原信息在外周神經(jīng)和皮層間的傳遞過(guò)程，而且還可能引起神經(jīng)元活動(dòng)的額外變化，難以確定其效果是否完全與誘發(fā)的神經(jīng)振蕩變化有關(guān)。此外，該類手段的實(shí)施依賴于專業(yè)的刺激器，設(shè)備成本高、操作復(fù)雜［15］。相比之下，節(jié)律性感覺(jué)刺激簡(jiǎn)單便攜、可操縱性更強(qiáng)、成本更低，能還原信息傳遞的過(guò)程且不會(huì)引起額外的神經(jīng)元變化，具有較好的應(yīng)用前景。例如，利用節(jié)律性視覺(jué)刺激誘發(fā)神經(jīng)振蕩節(jié)律同步化，可以有效提高個(gè)體對(duì)特定相位出現(xiàn)目標(biāo)刺激的探測(cè)正確率［16-17］。類似地，節(jié)律性聽(tīng)覺(jué)刺激誘發(fā)的神經(jīng)振蕩節(jié)律同步化也被證實(shí)可以有效調(diào)控認(rèn)知行為和情緒狀態(tài)等心理過(guò)程［18-19］。視覺(jué)、觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等不同感覺(jué)通道的節(jié)律性刺激都能誘發(fā)節(jié)律同步化，相比之下，聽(tīng)覺(jué)刺激的時(shí)間分辨率更高，刺激期間被試活動(dòng)更為方便，占據(jù)注意資源少，越來(lái)越得到研究者的關(guān)注［20］。

為明確外源節(jié)律性感覺(jué)刺激對(duì)神經(jīng)元活動(dòng)的作用機(jī)制及其對(duì)認(rèn)知行為和情緒狀態(tài)的調(diào)控效果，本文以不同類型的聽(tīng)覺(jué)刺激為例，在介紹神經(jīng)振蕩與節(jié)律同步化現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，綜述節(jié)律同步化的電生理特點(diǎn)及其與行為的聯(lián)系，討論聽(tīng)覺(jué)刺激誘發(fā)神經(jīng)振蕩節(jié)律同步化的相關(guān)生理機(jī)制及應(yīng)用前景，并對(duì)這一領(lǐng)域的后續(xù)研究方向提出建議。

1 聽(tīng)覺(jué)刺激誘發(fā)的節(jié)律同步化現(xiàn)象

無(wú)論是呈現(xiàn)間隔固定的序列刺激，還是振幅或者頻率以一定規(guī)律變化的持續(xù)性調(diào)幅或調(diào)頻刺激，或是左右聲道由不同頻率聲音構(gòu)成的雙耳差頻刺激，都可以看作是節(jié)律性聽(tīng)覺(jué)刺激，能夠誘發(fā)大腦節(jié)律同步化現(xiàn)象，并影響個(gè)體的行為表現(xiàn)與情緒狀態(tài)，但不同類型的刺激在不同頻段的調(diào)控作用存在差異（表1）。在實(shí)際使用時(shí)，多采用被試感受舒適的刺激強(qiáng)度（如50 dB/SPL）呈現(xiàn)刺激。

Table 1 The regulatory effect of rhythmic auditory stimulations at different frequencies表1 不同刺激類型在不同頻段的調(diào)控作用

1.1 序列刺激誘發(fā)的節(jié)律同步化

序列刺激以固定的間隔重復(fù)呈現(xiàn)某種聲音刺激（如點(diǎn)擊聲），形成特定的呈現(xiàn)頻率［21］（圖1a）。研究顯示，各個(gè)頻段的序列刺激都可以誘發(fā)大腦節(jié)律同步化，即在特定腦區(qū)的皮層水平觀測(cè)到神經(jīng)振蕩頻率與外界刺激頻率趨同的現(xiàn)象［22］。從節(jié)律同步化產(chǎn)生的位置來(lái)看，當(dāng)刺激呈現(xiàn)頻率低于60 Hz時(shí)，序列刺激誘發(fā)的節(jié)律同步化現(xiàn)象主要可以在聽(tīng)覺(jué)皮層被觀測(cè)到，并可隨作用時(shí)間延長(zhǎng)擴(kuò)展至其他皮層區(qū)域［23-25］，當(dāng)刺激呈現(xiàn)頻率高于60 Hz時(shí)，節(jié)律同步化現(xiàn)象則難以在皮層觀察到，但在腦干及低位中腦水平可見(jiàn)［26］。

Fig. 1 The illustration of rhythmic auditory stimuli圖1 節(jié)律性聽(tīng)覺(jué)刺激示例

低頻呈現(xiàn)序列刺激的一個(gè)重要特性是可以引起注意產(chǎn)生周期性波動(dòng)并影響知覺(jué)加工，在序列刺激的引導(dǎo)下，個(gè)體會(huì)對(duì)刺激出現(xiàn)的位置產(chǎn)生預(yù)期并將注意力集中。一個(gè)典型的例子來(lái)自Jones 等［27］的研究，研究者首先向被試呈現(xiàn)一個(gè)150 ms的純音，然后以1.6 Hz 的頻率序列呈現(xiàn)多個(gè)60 ms 的純音。在聲音序列的最后，呈現(xiàn)一個(gè)與第一個(gè)聲音持續(xù)時(shí)間相同（150 ms）但頻率不同的純音作為目標(biāo)刺激，該目標(biāo)刺激可能出現(xiàn)在聲音序列的不同相位。任務(wù)要求被試比較目標(biāo)刺激與序列的第一個(gè)純音的音高。結(jié)果顯示，被試對(duì)在不同相位出現(xiàn)的目標(biāo)刺激音高判斷準(zhǔn)確率有顯著差異，表現(xiàn)為對(duì)預(yù)期相位出現(xiàn)的目標(biāo)刺激音高判斷準(zhǔn)確率最高。類似地，當(dāng)向被試以delta 頻率（1~4 Hz）呈現(xiàn)序列刺激并同步記錄腦電圖（electroencephalography，EEG）數(shù)據(jù)時(shí)，Stefanics 等［28］不僅觀察到大腦delta 頻段的神經(jīng)振蕩顯著增強(qiáng)，也發(fā)現(xiàn)目標(biāo)刺激的探測(cè)反應(yīng)時(shí)與目標(biāo)刺激出現(xiàn)時(shí)皮層delta振蕩的相位顯著相關(guān)。這些結(jié)果提示，低頻呈現(xiàn)序列刺激在注意調(diào)節(jié)中發(fā)揮著重要作用，其誘發(fā)的節(jié)律同步化與注意波動(dòng)有極為明顯的相位一致性，即節(jié)律性刺激可以影響神經(jīng)元的同步活動(dòng)并引導(dǎo)注意向預(yù)期下一個(gè)刺激出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)集中，使得個(gè)體對(duì)刺激的探測(cè)速度增加，并提高閾限附近刺激的探測(cè)準(zhǔn)確率［29-31］。

此外，研究者發(fā)現(xiàn)，以theta 頻段（4~8 Hz）呈現(xiàn)的低頻序列刺激，有助于改善個(gè)體的記憶表現(xiàn)，這主要是由于海馬的theta振蕩在記憶的編碼、鞏固和提取中均發(fā)揮著重要作用［32-33］。在一項(xiàng)再認(rèn)任務(wù)中，被試在記憶的編碼階段分別暴露在白噪聲、5.5 Hz 和14 Hz 的節(jié)律性聲音刺激中，并同步記錄EEG 數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示暴露在節(jié)律性刺激中的被試均表現(xiàn)出對(duì)應(yīng)頻段的節(jié)律同步化，且5.5 Hz組的被試在記憶任務(wù)中的表現(xiàn)顯著優(yōu)于其他組［34］。這種低頻刺激誘發(fā)的同步化對(duì)記憶的影響也表現(xiàn)在記憶的整合能力中，當(dāng)視覺(jué)刺激和聽(tīng)覺(jué)刺激同時(shí)以4 Hz 頻率呈現(xiàn)時(shí)，個(gè)體可以更好地將兩種刺激聯(lián)系起來(lái)，形成更為牢固的情景記憶［35］，且即使在睡眠階段施加外部序列刺激，也會(huì)對(duì)記憶整合能力產(chǎn)生積極的影響［36］。

相比于低頻呈現(xiàn)，高頻呈現(xiàn)的序列刺激（尤其是40 Hz）可以誘發(fā)更強(qiáng)的同步化響應(yīng)［25］。相較于瞬時(shí)的聽(tīng)覺(jué)誘發(fā)電位，這種持續(xù)性的刺激更加穩(wěn)定，更易觀測(cè)。因此，40 Hz節(jié)律同步化現(xiàn)象最早被觀察到并被稱為40 Hz 聽(tīng)覺(jué)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)（auditory steady state response，ASSR）［37-38］。與低頻呈現(xiàn)的序列刺激相比，40 Hz呈現(xiàn)的序列刺激誘發(fā)的節(jié)律同步化易受個(gè)體生理狀態(tài)的影響。例如，在睡眠或麻醉狀態(tài)下，丘腦對(duì)聽(tīng)覺(jué)信息進(jìn)行上行抑制，節(jié)律性刺激誘發(fā)的同步化響應(yīng)顯著弱于清醒狀態(tài)，且在40 Hz頻段變化最大［39-41］。此外，高頻刺激誘發(fā)的節(jié)律同步化還受個(gè)體認(rèn)知狀態(tài)［42］以及選擇性注意和工作負(fù)荷等認(rèn)知因素［43-44］的影響，因此，ASSR也可能反映了個(gè)體一般性的認(rèn)知功能網(wǎng)絡(luò)連接的密切程度［12］。

綜上所述，低頻序列刺激及其誘發(fā)的神經(jīng)節(jié)律同步化響應(yīng)在調(diào)節(jié)注意、記憶等認(rèn)知功能方面有重要作用。相比之下，高頻序列刺激誘發(fā)下的神經(jīng)節(jié)律同步化響應(yīng)則多作為個(gè)體生理狀態(tài)的有關(guān)指標(biāo)發(fā)揮指示性作用。

1.2 雙耳差頻刺激誘發(fā)的節(jié)律同步化

雙耳差頻刺激（binaural beats）是通過(guò)向雙耳呈現(xiàn)不同頻率的聲音（如左聲道380 Hz，右聲道420 Hz），形成以差頻（如40 Hz）為主要聽(tīng)覺(jué)感受的聽(tīng)覺(jué)刺激（圖1b）。換言之，在主觀感受下，人們不僅會(huì)感受到一個(gè)載波（380 Hz），還可以感知到一個(gè)差頻波（40 Hz）的聲音。當(dāng)差頻小于2 Hz時(shí)，人們會(huì)感知到一個(gè)在左右耳之間往復(fù)移動(dòng)的聲音。隨著差頻的提高，這種往復(fù)運(yùn)動(dòng)的感覺(jué)消失，但仍可以感知到一個(gè)出現(xiàn)在頭部中央的持續(xù)聲音刺激［45］。在腦響應(yīng)上，低頻的雙耳差頻刺激在聽(tīng)皮層、頂葉、額葉會(huì)表現(xiàn)出明顯的對(duì)應(yīng)頻率及其諧波頻率的神經(jīng)振蕩同步化［46-47］，與序列呈現(xiàn)的聽(tīng)覺(jué)刺激誘發(fā)同步化的區(qū)域沒(méi)有顯著差異［48］。

雙耳差頻刺激最早被用于緩解患者術(shù)前焦慮和手術(shù)后的疼痛。例如，在手術(shù)前使用30 min delta頻段的雙耳差頻刺激可以有效降低患者的術(shù)前焦慮及術(shù)后的止痛藥物用量［49］。近年來(lái)的研究也顯示，delta頻段、alpha頻段的雙耳差頻刺激在牙科手術(shù)、膝關(guān)節(jié)置換術(shù)、白內(nèi)障手術(shù)中有顯著減少止痛藥用量、緩解焦慮的作用［50-52］。除此之外，在睡眠中對(duì)健康個(gè)體施以delta 頻段的雙耳差頻刺激可以影響睡眠狀態(tài)，使個(gè)體更容易進(jìn)入深度睡眠，并使睡眠循環(huán)中深度睡眠時(shí)間延長(zhǎng)［53］，這提示雙耳差頻刺激的治療作用還可以應(yīng)用于普通人群。后續(xù)研究也發(fā)現(xiàn)，不同頻段的雙耳差頻刺激與不同生理功能有密切的聯(lián)系。例如，施以theta 頻段的雙耳差頻刺激可以誘導(dǎo)個(gè)體進(jìn)入與冥想類似的皮層活動(dòng)狀態(tài)，并影響自主神經(jīng)系統(tǒng)活動(dòng)，減少焦慮情緒，增強(qiáng)放松感［54-55］。又如，alpha 頻段的雙耳差頻刺激可以在提高認(rèn)知功能方面發(fā)揮作用——減少個(gè)體探測(cè)聽(tīng)覺(jué)刺激和視覺(jué)刺激的反應(yīng)時(shí)，并有助于個(gè)體發(fā)揮創(chuàng)造力，增強(qiáng)發(fā)散性思維［56］，但對(duì)記憶表現(xiàn)沒(méi)有影響［57］。相比之下，beta 頻段（13~30 Hz）的雙耳差頻刺激對(duì)記憶有積極影響，在15 min 的雙耳差頻刺激后，要求被試對(duì)詞語(yǔ)進(jìn)行記憶并在分心任務(wù)后自由回憶，結(jié)果顯示接受了beta頻段雙耳差頻刺激的被試成績(jī)顯著好于接受白噪聲刺激的被試，而接受較低的theta頻段刺激的被試成績(jī)甚至更差［58］。以上結(jié)果提示，低頻差頻刺激下認(rèn)知功能與情緒狀態(tài)的改善可能對(duì)差頻頻率具有偏好性。

與序列呈現(xiàn)刺激的方式相同，高頻雙耳差頻刺激下的節(jié)律同步化的誘發(fā)相較于低頻段也更為容易，甚至有研究指出大多數(shù)頻段的雙耳差頻刺激都會(huì)誘發(fā)40 Hz的振蕩響應(yīng)［19］。這些同步化響應(yīng)最先在聽(tīng)皮層、頂葉以及額葉區(qū)域被觀測(cè)到［59］，隨作用時(shí)間的增加可進(jìn)一步在全腦觀測(cè)到同步化響應(yīng)［23］。與低頻雙耳差頻刺激調(diào)控個(gè)體情緒狀態(tài)相比，高頻雙耳差頻刺激對(duì)個(gè)體的影響更多的表現(xiàn)在對(duì)認(rèn)知功能的調(diào)控上。在行為上，高頻差頻刺激可以提高個(gè)體的認(rèn)知任務(wù)表現(xiàn)，這可能與大腦高頻振蕩與認(rèn)知功能的普遍聯(lián)系有關(guān)［12］。例如，40 Hz高頻雙耳差頻刺激可以提高個(gè)體在視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)探測(cè)任務(wù)的反應(yīng)速度［57］和在詞匯回憶任務(wù)的表現(xiàn)［60］；在注意瞬脫實(shí)驗(yàn)過(guò)程中施加40 Hz雙耳差頻刺激，經(jīng)睡眠鞏固后，可以在第2 天有效改善注意瞬脫現(xiàn)象，但在施以較低頻段（16 Hz）的雙耳差頻刺激后則沒(méi)有這種效果［59］。

雙耳差頻刺激誘發(fā)節(jié)律同步化響應(yīng)還依賴于外界刺激呈現(xiàn)時(shí)長(zhǎng)。例如，有研究分別向被試呈現(xiàn)多個(gè)頻段的雙耳差頻刺激，但每個(gè)刺激僅呈現(xiàn)3 min，結(jié)果顯示所有頻段刺激均不能誘發(fā)節(jié)律同步化響應(yīng)，也對(duì)個(gè)體情緒沒(méi)有影響［61］。類似地，一段時(shí)間內(nèi)間隔施加雙耳差頻刺激（如持續(xù)1 min，間隔1 min，共20 min 的雙耳差頻刺激）也同樣無(wú)法誘發(fā)節(jié)律同步化現(xiàn)象［62-63］。相比之下，持續(xù)6 min左右的刺激可以在聽(tīng)覺(jué)皮層及其附近區(qū)域誘發(fā)一定程度的節(jié)律同步化，持續(xù)10 min 左右的雙耳差頻刺激則可以誘發(fā)較大范圍甚至擴(kuò)展至全腦的節(jié)律同步化活動(dòng)［23，54，64-65］，這可能是由于隨時(shí)間延長(zhǎng)會(huì)有更多的神經(jīng)元活動(dòng)被調(diào)節(jié)至刺激頻率，使得節(jié)律同步化范圍擴(kuò)大，提示刺激時(shí)長(zhǎng)對(duì)節(jié)律同步化的影響與節(jié)律同步化誘發(fā)的生理機(jī)制有關(guān)。

由此可見(jiàn)，低頻雙耳差頻刺激多用于情緒調(diào)控，高頻雙耳差頻刺激則多用于認(rèn)知調(diào)控，而且調(diào)控效果在一定程度上依賴于調(diào)控時(shí)長(zhǎng)，表現(xiàn)為持續(xù)一段時(shí)間的雙耳差頻刺激才能誘發(fā)穩(wěn)定的神經(jīng)節(jié)律同步化響應(yīng)，從而影響個(gè)體的情緒狀態(tài)和認(rèn)知表現(xiàn)。

1.3 調(diào)幅和調(diào)頻刺激誘發(fā)的節(jié)律同步化

調(diào)幅刺激（amplitude modulated beats）是將聽(tīng)覺(jué)信號(hào)的振幅以一定規(guī)律調(diào)節(jié)產(chǎn)生的刺激（圖1c）。除了將振幅以不同頻率的正弦函數(shù)調(diào)制，調(diào)幅刺激也可通過(guò)將兩個(gè)有一定頻率差的聲音刺激合成為單聲道刺激（monaural beats）實(shí)現(xiàn)。在已有文獻(xiàn)中，調(diào)幅刺激和單聲道刺激經(jīng)常會(huì)相互使用，雖然名稱不同，但其物理學(xué)本質(zhì)相同。除此之外，將聲音頻率按照一定規(guī)律調(diào)節(jié)可以產(chǎn)生調(diào)頻刺激（frequency modulated beats）（圖1d）。調(diào)頻刺激也可以影響皮層的神經(jīng)振蕩模式［66-67］，大腦對(duì)調(diào)頻刺激的響應(yīng)區(qū)域與對(duì)調(diào)幅刺激也無(wú)顯著差異［68］。調(diào)幅刺激與調(diào)頻刺激組合，加上停頓、節(jié)奏等便成為了音樂(lè)。音樂(lè)在情緒調(diào)控、改善認(rèn)知方面的作用已被廣泛證明，本團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)元分析研究也表明［69］，音樂(lè)通過(guò)對(duì)注意、情緒的調(diào)節(jié)作用，可以對(duì)實(shí)驗(yàn)性的疼痛產(chǎn)生中等程度的鎮(zhèn)痛效果，可以作為疼痛管理的輔助工具。由于音樂(lè)本身是一種復(fù)雜的聲音刺激在時(shí)間維度的延展，且具有強(qiáng)烈的個(gè)人偏好，因此不作為本文重點(diǎn)討論。

與序列和雙耳差頻聲音刺激一樣，調(diào)幅刺激同樣可以誘發(fā)神經(jīng)節(jié)律同步化，其活動(dòng)最強(qiáng)的區(qū)域主要位于聽(tīng)覺(jué)皮層，并可擴(kuò)展至頂葉、額葉、枕葉乃至全腦［23］。有研究對(duì)比了3、6、40 Hz等多頻段下調(diào)幅刺激和雙耳差頻刺激的節(jié)律同步化響應(yīng)，其結(jié)果顯示兩種刺激誘發(fā)的節(jié)律同步化的頭皮分布上均沒(méi)有區(qū)別［48，70］，但調(diào)幅刺激誘發(fā)的神經(jīng)響應(yīng)更強(qiáng)［71］。目前針對(duì)調(diào)幅和調(diào)頻刺激調(diào)節(jié)個(gè)體的情緒和認(rèn)知的研究較少。與序列刺激類似，低頻的調(diào)幅刺激也有對(duì)注意的節(jié)律性調(diào)節(jié)作用。對(duì)于出現(xiàn)在不同相位的探測(cè)目標(biāo)，個(gè)體的探測(cè)能力有明顯的差異，施加調(diào)幅刺激可以誘發(fā)節(jié)律同步化并引起個(gè)體的注意波動(dòng)，提高個(gè)體對(duì)出現(xiàn)在特定相位刺激的探測(cè)能力［72-73］。此外，theta、alpha 和gamma 頻段的調(diào)幅刺激可以緩解焦慮情緒，但對(duì)工作記憶、長(zhǎng)時(shí)記憶、警覺(jué)性的作用效果不顯著［74］，甚至?xí)档投虝r(shí)記憶能力［75］。40 Hz的調(diào)幅刺激也可以增強(qiáng)個(gè)體的認(rèn)知能力，減少被試在注意任務(wù)中的反應(yīng)時(shí)［76］。頻率不斷變化的調(diào)頻刺激難以誘發(fā)特定頻段的節(jié)律同步化，較少作為神經(jīng)調(diào)控的工具調(diào)控個(gè)體的行為表現(xiàn)，但調(diào)頻刺激在聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)加工中被認(rèn)為有特殊意義。如調(diào)頻刺激在聽(tīng)力測(cè)試中有較高的敏感性，可用于測(cè)試更大范圍的聽(tīng)覺(jué)能力［77］，通過(guò)定制個(gè)性化的調(diào)頻系統(tǒng)，可以幫助聽(tīng)覺(jué)加工系統(tǒng)受損患者提高語(yǔ)義理解能力等［78］。

綜上所述，調(diào)幅刺激本身有著與序列刺激和雙耳差頻刺激類似的作用，可用于誘發(fā)多頻段的節(jié)律同步化，調(diào)頻刺激也在聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)中有特殊的作用，但兩者在神經(jīng)調(diào)控方面的研究較為初步，需要更多的證據(jù)來(lái)進(jìn)一步證明其效果。

2 聽(tīng)覺(jué)刺激誘發(fā)節(jié)律同步化的機(jī)制

2.1 節(jié)律性感覺(jué)刺激誘發(fā)大腦神經(jīng)振蕩節(jié)律同步化理論

研究者們提出了不同理論解釋外界刺激如何逐步影響皮層的神經(jīng)振蕩模式，如相位重置理論、疊加理論等，其中最具影響力的是Thut等［13］提出的節(jié)律同步化模型。該模型認(rèn)為，神經(jīng)元活動(dòng)有其自發(fā)的、可持續(xù)的振蕩模式，在沒(méi)有外界刺激的情況下，神經(jīng)元以該模式自發(fā)活動(dòng)，但當(dāng)外界節(jié)律性刺激作用于神經(jīng)元，神經(jīng)元的自發(fā)振蕩模式就會(huì)改變，使神經(jīng)元的振蕩模式與外界刺激越來(lái)越一致，直至與外界刺激完全一致。當(dāng)受影響的神經(jīng)元越來(lái)越多，這一細(xì)胞集群便表現(xiàn)為與外界刺激一致的活動(dòng) 模 式 ， 并 可 以 被 EEG、 腦 磁 圖（magnetoencephalography，MEG）等神經(jīng)科學(xué)手段觀測(cè)到。因此，通過(guò)調(diào)節(jié)外部刺激的參數(shù)可以影響神經(jīng)元的活動(dòng)，表現(xiàn)為通過(guò)改變外部刺激的振幅、相位、呈現(xiàn)頻率和作用時(shí)間等調(diào)節(jié)相應(yīng)神經(jīng)元的活動(dòng)。

2.2 節(jié)律性感覺(jué)刺激誘發(fā)大腦神經(jīng)振蕩節(jié)律同步化的生理過(guò)程

從生理過(guò)程來(lái)看，不同的節(jié)律性聽(tīng)覺(jué)刺激都通過(guò)聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)發(fā)揮作用，在聽(tīng)覺(jué)皮層表現(xiàn)出節(jié)律同步化響應(yīng)，并擴(kuò)展至頂葉、額葉等區(qū)域。然而，在皮層下水平，不同類型的刺激初步產(chǎn)生節(jié)律性神經(jīng)反應(yīng)的結(jié)構(gòu)水平并不相同。具體而言，個(gè)體的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)利用外化的耳廓等結(jié)構(gòu)穩(wěn)定地捕捉到聲音的頻率信息，聲音信號(hào)經(jīng)耳膜、聽(tīng)小骨、纖毛等結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，進(jìn)一步從耳蝸聽(tīng)神經(jīng)傳至耳蝸腹前核，并經(jīng)由軸突連接上橄欖核。位于腦干兩側(cè)的上橄欖核對(duì)于聲音的相位信息尤其敏感，并相互影響，例如當(dāng)雙耳捕獲到的聲音頻率不同時(shí)，上橄欖核產(chǎn)生的膜電位便受到調(diào)制［79］。上橄欖核的放電模式進(jìn)而影響其軸突連接的下丘神經(jīng)元，對(duì)雙耳差頻刺激而言，下丘神經(jīng)元可整合兩耳聽(tīng)覺(jué)信息以反映雙耳差頻刺激的差頻特性［45］。于是，雙耳聽(tīng)覺(jué)刺激在腦中被合成為類似調(diào)幅刺激的聽(tīng)覺(jué)感知，并進(jìn)一步影響大腦皮層，產(chǎn)生可以在皮層觀察到的節(jié)律同步化現(xiàn)象［71］。由此可見(jiàn)，雙耳差頻刺激與調(diào)幅刺激和序列刺激的差異在于：前者產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用誘發(fā)節(jié)律性活動(dòng)的位置在上橄欖核，而后者在耳蝸水平便可產(chǎn)生節(jié)律性的神經(jīng)活動(dòng)［74］。

2.3 節(jié)律性感覺(jué)刺激誘發(fā)大腦神經(jīng)振蕩節(jié)律同步化的認(rèn)知過(guò)程

從認(rèn)知過(guò)程來(lái)看，個(gè)體在處理不同類型的節(jié)律性聽(tīng)覺(jué)刺激時(shí)所涉及的加工過(guò)程并不相同。以注意的節(jié)律性波動(dòng)為例，許多研究均表明注意的節(jié)律性波動(dòng)與刺激誘發(fā)的節(jié)律同步化有密切關(guān)系［13，72］。然而，任何一個(gè)被主觀意識(shí)到的外界刺激都會(huì)與注意機(jī)制有關(guān)，提示節(jié)律性感覺(jué)刺激誘發(fā)的神經(jīng)振蕩同步化不僅受輸入刺激本身的屬性影響，還可能受自上而下的注意調(diào)控。例如，注意可以影響誘發(fā)的節(jié)律化響應(yīng)的強(qiáng)度。有研究在猴視覺(jué)皮層內(nèi)插入電極，同時(shí)向其呈現(xiàn)節(jié)律性視覺(jué)刺激和聽(tīng)覺(jué)刺激，并訓(xùn)練猴注意特定的感覺(jué)通道，顱內(nèi)腦電結(jié)果顯示，在僅注意聽(tīng)覺(jué)通道時(shí)，視覺(jué)節(jié)律性刺激誘發(fā)的同步化響應(yīng)會(huì)顯著降低，而在注意視覺(jué)通道時(shí)，響應(yīng)則明顯提高［80］。此外，個(gè)體可以主動(dòng)加工刺激產(chǎn)生特定頻段的節(jié)律同步化。對(duì)一串序列刺激，有音樂(lè)訓(xùn)練經(jīng)驗(yàn)的個(gè)體可以根據(jù)指導(dǎo)語(yǔ)主動(dòng)組合刺激，將兩個(gè)純音或三個(gè)純音組合為一組，形成二拍或三拍的節(jié)律，由此將2.4 Hz的節(jié)律性刺激知覺(jué)為1.2 Hz或0.8 Hz。在3 種條件下，被試會(huì)有不同的節(jié)律同步化響應(yīng)模式：不進(jìn)行主觀加工條件下僅能觀察到頂葉、顳葉2.4Hz的節(jié)律同步化活動(dòng)，而主觀加工條件下，除了2.4 Hz，也可以在頂葉、額葉觀察到1.2 Hz和0.8 Hz的節(jié)律同步化活動(dòng)［81］。

3 總結(jié)與展望

節(jié)律性聽(tīng)覺(jué)刺激誘發(fā)神經(jīng)振蕩同步化是一種廣泛的現(xiàn)象。目前已有大量研究關(guān)注了該現(xiàn)象的生物標(biāo)記作用。例如，ASSR已被廣泛應(yīng)用于嬰幼兒聽(tīng)力測(cè)試，作為評(píng)估聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的客觀指標(biāo)。此外，由于40 Hz節(jié)律同步化響應(yīng)易受生理狀態(tài)影響，在不同狀態(tài)下有較大差異（麻醉、睡眠狀態(tài)相較于清醒狀態(tài)），可將其作為麻醉狀態(tài)的監(jiān)測(cè)指標(biāo)［82-83］。類似地，在40 Hz節(jié)律同步化響應(yīng)還可以作為神經(jīng)分裂癥的生物標(biāo)記，精神分裂癥患者等認(rèn)知功能受損的個(gè)體通常會(huì)表現(xiàn)出同步化響應(yīng)功率減小、同步及去同步響應(yīng)延遲現(xiàn)象［12，84］。

更重要的是，節(jié)律性聽(tīng)覺(jué)刺激具備調(diào)控大腦神經(jīng)振蕩模式，從而影響個(gè)體的行為表現(xiàn)的潛力，因此可以被看作是一種非侵入性的神經(jīng)調(diào)控手段。雖然上文提到的節(jié)律性刺激對(duì)情緒和認(rèn)知功能的調(diào)控尚處于實(shí)驗(yàn)室探索階段，但目前已有多項(xiàng)研究將節(jié)律性刺激應(yīng)用于臨床治療，尤其在運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)上效果顯著。研究表明，節(jié)律性刺激可以在帕金森病、卒中、創(chuàng)傷性腦損傷、多發(fā)性硬化等多種因素導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)功能損傷康復(fù)中發(fā)揮重要作用［85］，例如，在帕金森病患者的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練過(guò)程中給予節(jié)律性刺激，經(jīng)一段時(shí)間的訓(xùn)練后，相比于不接受節(jié)律性刺激的對(duì)照組，在訓(xùn)練中接受節(jié)律性聽(tīng)覺(jué)刺激可以有效提高步行速度和步長(zhǎng)，增強(qiáng)步行穩(wěn)定性，防止摔倒并減少步態(tài)凍結(jié)［86-87］。除運(yùn)動(dòng)康復(fù)方面，動(dòng)物研究也表明，gamma 頻段的節(jié)律性聽(tīng)覺(jué)刺激和節(jié)律性視聽(tīng)聯(lián)合刺激可以減輕小鼠阿爾茨海默病的相關(guān)表現(xiàn)，改善空間記憶和再認(rèn)記憶，并引起腦內(nèi)神經(jīng)元活動(dòng)的相應(yīng)變化，減少海馬、額葉乃至全腦的淀粉樣蛋白沉淀［88］。由調(diào)幅、調(diào)頻等刺激組合的音樂(lè)刺激也被證明有在執(zhí)行功能和注意功能方面有顯著的康復(fù)作用［89］，提示了節(jié)律性聽(tīng)覺(jué)刺激在更為廣闊的領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

然而，目前節(jié)律性刺激誘發(fā)神經(jīng)振蕩同步化的機(jī)制仍有待進(jìn)一步研究。首先，不同頻段的聽(tīng)覺(jué)刺激誘發(fā)的節(jié)律同步化與個(gè)體行為表現(xiàn)的聯(lián)系仍不清晰。雖然目前的研究提示低頻刺激與情緒調(diào)節(jié)、高頻段與認(rèn)知功能之間存在聯(lián)系，但這種聯(lián)系似乎并不穩(wěn)定。這可能是由于實(shí)驗(yàn)中采取了不同的刺激參數(shù)，導(dǎo)致了結(jié)果的不一致性。因此未來(lái)的研究需要探究不同刺激參數(shù)下的調(diào)控效果，構(gòu)建節(jié)律性刺激與神經(jīng)振蕩同步化以及行為表現(xiàn)之間的關(guān)聯(lián)模型。其次，以往研究表明序列刺激、雙耳差頻刺激、調(diào)頻/調(diào)幅刺激三類刺激在皮層水平可以誘發(fā)相似的生理響應(yīng)，但調(diào)控效果卻不完全相同。這可能是因?yàn)檠芯空咴谔骄坎煌愋痛碳さ恼{(diào)控效果時(shí)，所關(guān)注的調(diào)控內(nèi)容不同。例如，低頻調(diào)幅刺激和序列刺激都可以引起注意的節(jié)律性波動(dòng)，但現(xiàn)階段仍缺乏對(duì)低頻雙耳差頻刺激調(diào)控注意的研究。大量研究顯示施加高頻雙耳差頻刺激和調(diào)幅刺激對(duì)認(rèn)知功能有影響，卻鮮有研究探索高頻序列刺激對(duì)認(rèn)知功能的影響，而是主要將其作為相關(guān)功能的生物標(biāo)記信號(hào)。因此，未來(lái)研究應(yīng)進(jìn)一步統(tǒng)一相關(guān)證據(jù)或闡明各類刺激調(diào)控效果的差異，這將有助于加深對(duì)聽(tīng)覺(jué)刺激誘發(fā)節(jié)律同步化的認(rèn)識(shí)。

綜上所述，不同頻段的節(jié)律性聽(tīng)覺(jué)刺激可以誘發(fā)相應(yīng)的節(jié)律同步化活動(dòng)，改變個(gè)體的神經(jīng)振蕩模式，進(jìn)一步影響個(gè)體的疼痛感受、情緒、記憶和認(rèn)知等功能。相較于其他侵入性或非侵入性的電/磁刺激，節(jié)律性聽(tīng)覺(jué)刺激有著成本低、易控制、簡(jiǎn)便易得等優(yōu)勢(shì)，是一種具有應(yīng)用潛力的神經(jīng)調(diào)控方式。未來(lái)有望在廣泛人群中通過(guò)施加節(jié)律性聽(tīng)覺(jué)刺激對(duì)大腦神經(jīng)振蕩進(jìn)行調(diào)控，以達(dá)到調(diào)控情緒與認(rèn)知功能、輔助治療相關(guān)疾病的目的。