多靶區(qū)經(jīng)顱直流電刺激對健康成年人工作記憶-姿勢控制雙任務(wù)表現(xiàn)的影響

周治寧，周容，肖燕文,2，王博文，呂嬌嬌，劉宇

1.上海體育大學(xué)運(yùn)動健身科技省部共建教育部重點實驗室，上海市 200438；2.中山大學(xué)孫逸仙紀(jì)念醫(yī)院深汕中心醫(yī)院，廣東汕尾市516600

0 引言

工作記憶是人們在短時間對所獲得的信息進(jìn)行維持并加工處理的能力[1]，在數(shù)學(xué)計算、閱讀和學(xué)習(xí)等認(rèn)知活動中發(fā)揮重要作用[2‐3]。在日常生活中，這些認(rèn)知活動常與站立或者行走等姿勢控制任務(wù)同時發(fā)生，即工作記憶‐姿勢控制雙任務(wù)模式[4‐5]。根據(jù)資源共享理論，雙任務(wù)狀態(tài)下的兩個任務(wù)會競爭有限的大腦資源，導(dǎo)致大腦負(fù)擔(dān)增加從而降低任務(wù)表現(xiàn)[6]。因此，針對性調(diào)控或干預(yù)工作記憶‐姿勢控制雙任務(wù)能力，對于促進(jìn)復(fù)雜運(yùn)動控制和預(yù)防跌倒具有積極影響。神經(jīng)影像學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，在執(zhí)行雙任務(wù)過程中，大量與認(rèn)知和感覺運(yùn)動相關(guān)的腦區(qū)廣泛激活[7]，尤其是背外側(cè)前額葉(dorsal lateral prefrontal cortex,DLPFC)和初級運(yùn)動皮質(zhì)(primary motor cortex,M1)[8‐9]。因此，通過調(diào)控DLPFC 和M1 等大腦皮質(zhì)的興奮性，可能有助于緩解大腦皮質(zhì)的認(rèn)知資源負(fù)擔(dān)，進(jìn)而提升雙任務(wù)姿勢控制能力。

經(jīng)顱直流電刺激(transcranial direct current stimula‐tion,tDCS)是一種通過微弱的直流電來調(diào)控大腦皮質(zhì)興奮性的非侵入性大腦刺激技術(shù)[10]。有研究表明，作用于DLPFC 的tDCS 可以有效提高健康成年人和老年人的認(rèn)知‐姿勢控制雙任務(wù)能力[11‐13]。但是這些研究僅調(diào)控單個腦區(qū)，而雙任務(wù)依賴于多個腦區(qū)的協(xié)同作用[14‐15]，所以單靶區(qū)tDCS 可能并不是調(diào)控認(rèn)知‐姿勢控制雙任務(wù)的最佳方式。

本研究旨在探究多靶區(qū)tDCS 方案(同時刺激左側(cè)DLPFC 和M1)和單靶區(qū)tDCS 方案(僅刺激左側(cè)DLP‐FC)對健康年輕人工作記憶‐姿勢控制雙任務(wù)的調(diào)控效果，探究多靶區(qū)tDCS 是否表現(xiàn)出優(yōu)于單靶區(qū)tDCS 的調(diào)控效應(yīng)。

1 資料與方法

1.1 一般資料

2020 年11 月至2021 年2 月，選取上海體育大學(xué)就讀的19 例健康年輕人，其中男性9 例，女性10 例；年齡(24.63±1.77)歲；身高(1.68±0.10) m，體質(zhì)量(60.84±10.45) kg，體質(zhì)量指數(shù)(21.49±1.84) kg/m2。

納入標(biāo)準(zhǔn)：①年齡18～28 歲；②右利手；③運(yùn)動與認(rèn)知功能均正常。

排除標(biāo)準(zhǔn)：①患有心理或生理方面的疾病且影響步行、站立以及基本生活能力；②近期使用精神類藥物；③對酒精和導(dǎo)電膏過敏；④近3 個月有過下肢損傷史；⑤測試前24 h內(nèi)進(jìn)行過劇烈體力活動。

剔除與脫落標(biāo)準(zhǔn)：①依從性差；②未能完成試驗；③出現(xiàn)嚴(yán)重不良反應(yīng)。

本研究已通過上海體育大學(xué)倫理委員會批準(zhǔn)(No.102772020RT109)。所有受試者在試驗開始前了解實驗內(nèi)容和流程，并簽署知情同意書。

1.2 試驗流程

本研究為隨機(jī)、雙盲、交叉實驗設(shè)計。受試者共需完成4 次測試。第1 次測試內(nèi)容包括了解整個實驗、采集受試者基本信息以及熟悉測試任務(wù)。從第2 次測試開始，受試者隨機(jī)接受3 種刺激方案(多靶區(qū)tDCS，單靶區(qū)tDCS 和假刺激)，隨機(jī)方法為拉丁方隨機(jī)設(shè)計。受試者需要在刺激前后完成工作記憶和姿勢控制測試，其中姿勢控制測試包括單任務(wù)和雙任務(wù)步行，單任務(wù)和雙任務(wù)站立平衡測試。第2～4 次測試中除刺激方案不同，其他步驟均相同，兩次測試之間至少間隔1周。

1.3 tDCS刺激方案

本研究共包括3種刺激方式：多靶區(qū)tDCS，單靶區(qū)tDCS 和假刺激。采用DC‐STⅠMULATOR MC (德國NEORUCONN公司)進(jìn)行tDCS刺激，刺激電極基于國際10‐20 系統(tǒng)放置。采用高精度tDCS 的刺激方案，通過Starstim 電場模擬軟件(西班牙NEUROELECTRⅠCS公司)進(jìn)行模擬來確定刺激位置和刺激強(qiáng)度。除假刺激外，目標(biāo)區(qū)域的電場強(qiáng)度設(shè)定為0.25 V/m。

多靶區(qū)tDCS：目標(biāo)腦區(qū)為左側(cè)DLPFC 和雙側(cè)M1，共8 個電極(C3: 421 μA;C4: 1572 μA;CP6:-1222 μA;F3: 939 μA;FC2: -1440 μA;P3: -557 μA;T7: -779 μA;Cz: 1066 μA)，單個電極最大電流不超過2 mA，總電流強(qiáng)度不超過4 mA，總時長20 min(圖1A)。

圖1 多靶區(qū)tDCS和單靶區(qū)tDCS方案電場模擬和電極位置圖Figure 1 Electric field simulation and electrode position of multi-target and single-target tDCS

單靶區(qū)tDCS：目標(biāo)腦區(qū)為左側(cè)DLPFC，共5 個電極(AF3: 805 μA;FC1: 817 μA;FPZ: -567 μA;T7:-475 μA;Cz: -580 μA)，單個電極最大電流不超過1 mA，總電流強(qiáng)度不超過2 mA，總時長20 min(圖1B)。

假刺激：電極位置與多靶區(qū)tDCS 保持一致，最大電流強(qiáng)度為0.1 mA，總時長20 min，但僅在開始30 s 和最后30 s 輸入電流，以模擬真刺激時的皮膚感覺。

1.4 工作記憶‐姿勢控制雙任務(wù)測試

1.4.1 工作記憶任務(wù)

有研究認(rèn)為，步行和站立平衡等姿勢控制過程對空間處理能力要求較高，因此具有空間處理要求的認(rèn)知任務(wù)可能會產(chǎn)生更大的雙任務(wù)干擾[16]，所以本研究選擇空間2‐back 工作記憶任務(wù)。任務(wù)程序通過MAT‐LAB軟件進(jìn)行編寫，通過筆記本電腦投屏至受試者所持手機(jī)上。在手機(jī)屏幕的左右兩側(cè)留有空白區(qū)域，分別對應(yīng)鼠標(biāo)的左鍵和右鍵。受試者需要根據(jù)要求用雙手拇指分別點擊手機(jī)屏幕的左右側(cè)空白區(qū)域來對所呈現(xiàn)刺激做出反應(yīng)。

開始測試后，受試者根據(jù)任務(wù)提示執(zhí)行任務(wù)，全程屏幕中心會出現(xiàn)“+”，刺激為白色實心圓，呈現(xiàn)位置共8個，具體為圍繞“+”的3×3九宮格的任意位置(圖2)。2‐back任務(wù)要求受試者比較其當(dāng)前所見刺激是否與往前數(shù)第2 個刺激位置相同，相同則點擊左側(cè)空白區(qū)域，不相同則點擊右側(cè)空白區(qū)域。一組任務(wù)包括60 個試次，目標(biāo)刺激出現(xiàn)頻率為50%，總時長為2 min。工作記憶任務(wù)指標(biāo)包括：反應(yīng)時(reaction time,RT)、準(zhǔn)確率(accuracy,ACC)和逆效率得分(in‐verse efficiency score,ⅠES)。其中，ⅠES=RT/ACC，得分越低表示能夠快速而準(zhǔn)確地完成任務(wù)。

圖2 工作記憶任務(wù)Figure 2 Work memory task

1.4.2 雙任務(wù)步行測試

步行測試采用ProtoKinetics ZenoWalkway 系統(tǒng)(美國ZENOMETRⅠCS 公司)，包括電子步道和步態(tài)數(shù)據(jù)采集分析軟件，采樣頻率120 Hz，長16英尺(約5 m)。受試者共需進(jìn)行3 組步行測試，每組設(shè)置兩種條件：單任務(wù)和雙任務(wù)步行任務(wù)。測試時，受試者站在距離電子步道4 m 處，聽到指令后向步道行走，走出步道后在4 m外的轉(zhuǎn)身標(biāo)志處轉(zhuǎn)身返回，并再次走過步道，循環(huán)走動60 s。單任務(wù)狀態(tài)下受試者按照自己舒適的速度行走即可；雙任務(wù)步態(tài)需要雙手橫持手機(jī)，行走的同時執(zhí)行工作記憶任務(wù)。取3 組平均值作為步態(tài)測試結(jié)果，包括單、雙任務(wù)條件下的步幅、步速、步幅變異性和步速變異性，以及各指標(biāo)雙任務(wù)消耗(dual task cost,DTC)，DTC以“指標(biāo)_DTC”的形式表示。

1.4.3 雙任務(wù)站立平衡測試

站立平衡測試使用測力臺(瑞士KⅠSTLER 公司)完成，采樣頻率1 000 Hz。測試時，受試者脫鞋后雙腳前后呈“1”字縱向站立于測力臺上[17‐18]，單任務(wù)條件下要求受試者雙手橫持手機(jī)但不執(zhí)行任何認(rèn)知任務(wù)；雙任務(wù)條件下要求受試者站立同時執(zhí)行認(rèn)知任務(wù)，每種任務(wù)條件采集兩次，每次采集時長為60 s。通過采集壓力中心(center of pressure,COP)計算壓心擺動速度(Vcop)、壓心擺動面積(Acop)及其DTC。

1.5 統(tǒng)計學(xué)分析

采用SPSS 26.0 進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析。通過Shapiro‐Wilk檢驗來驗證計量資料是否符合正態(tài)分布，符合正態(tài)分布以()表示。通過單因素方差分析比較3 種刺激(多靶區(qū)tDCS、單靶區(qū)tDCS 和假刺激)前后各指標(biāo)改變值(即差值)的變化；若3 種刺激之間存在顯著性差異，則使用簡單效應(yīng)分析進(jìn)行事后檢驗。采用Cohen'sd表示各參數(shù)改變的效應(yīng)量。顯著性水平α=0.05。

2 結(jié)果

2.1 步行

刺激后，3 種刺激間步幅變異性及其DTC 的改變值具有顯著性差異(P＜0.05)。與假刺激相比，多靶區(qū)tDCS 刺激后步幅變異性降低(P＜ 0.05)，步幅變異性_DTC降低趨于顯著(P=0.073)；單靶區(qū)tDCS 刺激后步幅變異性和步幅變異性_DTC均降低(P＜0.05)。見表1。

表1 3種tDCS刺激方案對雙任務(wù)步行各指標(biāo)改變值的影響Table 1 The changes of indexes under dual-task walking among three stimulations

2.2 站立平衡

刺激后，3 種刺激間Vcop 的改變值有顯著性差異(P＜ 0.05)。與假刺激相比，多靶區(qū)tDCS 和單靶區(qū)tDCS 刺激后Vcop 降低(P＜0.05)。與單靶區(qū)tDCS 相比，多靶區(qū)tDCS 刺激后Acop_DTC降低(P＜0.05)。見表2。

表2 3種tDCS刺激方案對雙任務(wù)站立平衡各指標(biāo)改變值的影響Table 2 The changes of indexes under dual-task standing balance among three stimulations

2.3 工作記憶

刺激后，3 種刺激間工作記憶任務(wù)的準(zhǔn)確率、反應(yīng)時 和ⅠES 改變值均無顯著性差異(P＞ 0.05)。見表3。

表3 3種tDCS刺激方案對工作記憶各指標(biāo)改變值的影響Table 3 The changes of working memory indexes among three stimulations

3 討論

本研究評估了多靶區(qū)tDCS 方案(左側(cè)DLPFC +M1 tDCS)和單靶區(qū)tDCS 方案(左側(cè)DLPFC tDCS)對健康年輕人工作記憶‐姿勢控制雙任務(wù)的調(diào)控效果，并探究多靶區(qū)tDCS 的調(diào)控優(yōu)勢。結(jié)果顯示，與假刺激相比，多靶區(qū)tDCS 和單靶區(qū)tDCS 刺激可有效調(diào)控雙任務(wù)姿勢控制過程中的步幅變異性、步幅變異性_DTC和壓心擺動速度(Vcop)，兩種刺激方案均可作為調(diào)控年輕人工作記憶‐姿勢控制雙任務(wù)的有效手段。在站立平衡任務(wù)中，多靶區(qū)tDCS 與單靶區(qū)tDCS 相比顯著降低了Acop的DTC(Acop_DTC)，這提示多靶區(qū)tDCS對站立姿勢控制雙任務(wù)具有一定調(diào)控優(yōu)勢。

本研究所使用的多靶區(qū)和單靶區(qū)tDCS 方案均靶向性調(diào)控了左側(cè)DLPFC。DLPFC 不僅與工作記憶、執(zhí)行功能等認(rèn)知過程有關(guān)[19‐20]，還與步態(tài)、平衡等姿勢控制功能的自上而下的中樞調(diào)控有關(guān)[21‐22]。Zhou等[11]發(fā)現(xiàn)，通過tDCS 調(diào)控左側(cè)DLPFC 興奮性的刺激方案，能夠改善雙任務(wù)姿勢控制，降低DTC。DTC反映受試者執(zhí)行雙任務(wù)時的注意資源消耗增加[23]，并且較高的DTC 往往預(yù)示著較高的跌倒風(fēng)險[24‐25]。在本研究中，我們同樣發(fā)現(xiàn)左側(cè)DLPFC tDCS 可顯著降低雙任務(wù)條件下步幅變異性及其DTC。相比步幅和步速等時空參數(shù)，步態(tài)變異性描述了在行走過程中步與步之間的變化，可反映步態(tài)穩(wěn)定性及各種原因?qū)е碌臐撛诓綉B(tài)改變[24,26]。如老年受試者雙任務(wù)期間的步態(tài)變異性與未來的跌倒有關(guān)，但步速并未觀察到相關(guān)性[27]。步態(tài)變異性還與執(zhí)行功能效率高低顯著相關(guān)，可反映中樞神經(jīng)系統(tǒng)對步行表現(xiàn)的調(diào)控功能[28]。因此，左側(cè)DLPFC tDCS 是一種有效調(diào)控雙任務(wù)姿勢控制、降低跌倒風(fēng)險的非侵入性腦刺激手段。

考慮到復(fù)雜條件下的姿勢控制多依賴多腦區(qū)或腦網(wǎng)絡(luò)之間的相互作用[29]，本研究增加同時調(diào)控左側(cè)DLPFC 和雙側(cè)初級運(yùn)動皮質(zhì)的多靶區(qū)tDCS 方案(左側(cè)DLPFC+M1 tDCS)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)左側(cè)DLPFC+M1 tDCS不僅顯著降低雙任務(wù)步幅變異性，還可顯著降低雙任務(wù)站立平衡過程中壓心擺動面積的DTC，提示多靶區(qū)tDCS 調(diào)控效果可能優(yōu)于單靶區(qū)tDCS。然而，多靶區(qū)tDCS 的調(diào)控優(yōu)勢尚未獲得一致結(jié)論。如Dagan等[30]同時調(diào)節(jié)左側(cè)DLPFC 和M1 的皮質(zhì)興奮性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)多靶區(qū)tDCS 對帕金森患者凍結(jié)步態(tài)的改善效果優(yōu)于單靶區(qū)tDCS；但是，Zhou 等[31]的研究中將目標(biāo)腦區(qū)鎖定左側(cè)DLPFC 和初級感覺運(yùn)動皮質(zhì)(SM1)，探究其對老年人步行和站立平衡雙任務(wù)表現(xiàn)的影響，結(jié)果并未發(fā)現(xiàn)多靶區(qū)tDCS 調(diào)控雙任務(wù)姿勢控制表現(xiàn)的特殊優(yōu)勢。盡管左側(cè)DLPFC+SM1 tDCS 調(diào)控效果優(yōu)于單靶區(qū)SM1 tDCS，但并不優(yōu)于左側(cè)DLPFC tDCS 方案。結(jié)合本研究結(jié)果，推測其可能是控制步行和站立平衡的中樞調(diào)控機(jī)制不同導(dǎo)致的。

目前越來越多的研究不再局限于研究單一腦區(qū)的調(diào)控機(jī)制，而是深入探究不同大腦網(wǎng)絡(luò)在姿勢控制中的重要作用。有研究發(fā)現(xiàn)，步行表現(xiàn)與默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)、背側(cè)注意力網(wǎng)絡(luò)、額頂網(wǎng)絡(luò)等腦網(wǎng)絡(luò)之間相互作用有關(guān)，涉及更為復(fù)雜的中樞調(diào)控機(jī)制[32]。本研究沒有發(fā)現(xiàn)多靶區(qū)tDCS 調(diào)控雙任務(wù)步行表現(xiàn)優(yōu)于單靶區(qū)tDCS 調(diào)控效果，其可能原因是我們所使用的兩個刺激方案僅刺激步行控制相關(guān)的額頂網(wǎng)絡(luò)中的一個重要腦區(qū)——DLPFC[33]，沒有額外地調(diào)控到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他的腦區(qū)，如頂葉皮質(zhì)區(qū)域，未來研究可以進(jìn)一步優(yōu)化刺激方案、對步行相關(guān)腦網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行更有針對性的調(diào)控[34]。此外，我們還發(fā)現(xiàn)左側(cè)DLPFC+M1 tDCS 具有更優(yōu)的站立平衡姿勢調(diào)控效果，提示除認(rèn)知控制中樞外，運(yùn)動皮質(zhì)在站立平衡姿勢控制中也發(fā)揮重要作用，前額葉‐運(yùn)動皮質(zhì)之間網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系可能是雙任務(wù)站立平衡任務(wù)的重要中樞機(jī)制[35]。

本研究并未發(fā)現(xiàn)tDCS 對工作記憶任務(wù)表現(xiàn)具有顯著改善作用，這與前人研究有所不同[36‐37]。其可能原因是即使在雙任務(wù)條件下，空間2‐back 工作記憶任務(wù)對年輕人來說仍相對簡單，在tDCS 干預(yù)前受試者的任務(wù)表現(xiàn)已達(dá)到較好水平(例如準(zhǔn)確率均在83.5%以上)，存在天花板效應(yīng)。

本研究僅從行為學(xué)角度評估不同tDCS 方案的干預(yù)效果，未涉及靶向腦區(qū)所對應(yīng)的大腦皮質(zhì)活動變化，未來研究需要通過神經(jīng)影像學(xué)等技術(shù)來進(jìn)一步探究tDCS 調(diào)控工作記憶‐姿勢控制雙任務(wù)表現(xiàn)的可能機(jī)制；對于所有受試者給予相同刺激方案，沒有考慮個體腦部結(jié)構(gòu)的差異，未來可考慮基于個體的大腦結(jié)構(gòu)和雙任務(wù)姿勢控制相關(guān)腦網(wǎng)絡(luò)特征進(jìn)行個性化方案的優(yōu)化；受試者為健康年輕人，仍需進(jìn)一步驗證多靶區(qū)tDCS 方案在老年人群或神經(jīng)退行性疾病患者(如帕金森病、認(rèn)知障礙或阿爾茨海默病等)中的干預(yù)效果。

4 結(jié)論

多靶區(qū)tDCS 和單靶區(qū)tDCS 均可顯著調(diào)控健康成年人的工作記憶‐姿勢控制雙任務(wù)表現(xiàn)，并且與單靶區(qū)tDCS 相比，多靶區(qū)tDCS 在調(diào)控站立平衡雙任務(wù)姿勢控制效果上具有一定優(yōu)勢。本研究補(bǔ)充了經(jīng)顱電刺激在工作記憶‐姿勢控制雙任務(wù)領(lǐng)域的研究證據(jù)，未來仍需進(jìn)一步探索多靶區(qū)tDCS 調(diào)控大腦活動改善雙任務(wù)表現(xiàn)的神經(jīng)機(jī)制，促進(jìn)該技術(shù)的個性化應(yīng)用。

利益沖突聲明：所有作者聲明不存在利益沖突。