Nature Neuroscience：经颅交流电刺激（tACS）有助于老年人工作记忆的恢复

摘要

来自波士顿大学的研究者Reinhart 和Nguyen最近在Nature Neuroscience的发文揭示了认知功能衰退的核心特征——工作记忆缺陷：来源于局部脑回路与远程脑回路间的失连，通过颞叶皮层中的θ-γ相位-振幅耦合和跨额颞叶皮层的θ相位同步来实例化。研究者使用非侵入性的刺激程序调节60~76岁成人远程θ波间的相互作用。25分钟的刺激后，将频率调谐至个体脑网络的动力学特征。结果不仅观察到神经同步模式的优先增加，而且也观察到了信息流的发送者与接收者在额叶皮层内、颞叶皮层内以及两皮层间的返回关系。该操作能迅速提升工作记忆能力，且持续时间超过50分钟。该结果能帮助研究者深入了解与年龄相关的认知损害的生理基础，并为今后针对认知衰退方面的非药理学干预奠定了基础。

背景介绍

工作记忆和其他认知功能损伤在年龄上的差异，一般认为是由一定的神经生物基础改变所造成的，如灰质含量和白质一体化程度的变化，以及最近发现的大规模脑网络功能连接程度的改变等。有证据表明，与年龄有关的记忆和认知能力下降与不同脑区之间关系的改变有关，这可能是由相应脑区之间结构和功能上的连接障碍所致。

跨频耦合（Cross-frequency coupling）与相位-振幅耦合(PAC, phase–amplitude coupling)：

跨频耦合一般认为是在不同时域内局部皮层网络间信息联通灵活性的代表。

相位-振幅耦合是工作记忆维持中出现的一种跨频耦合，即θ（4–8 Hz）-γ（>25Hz）频段幅值耦合。在颞叶观察到的γ节律耦合至θ节律，被认为代表着记忆存储的局部加工。

相位同步（phase synchronization）：

指任务相关脑区间信息跨多空间皮层的一体化。在前额叶和颞叶皮层间高频段θ波的同步性反映了前额叶与感觉区的相互作用以调节和监控工作记忆的加工和存储。

经颅交流电刺激（tACS）与高清晰度经颅交流电刺激（HD-tACS,high-definition transcranial alternating-current stimulation）：

研究表明tACS对目标皮层施加θ频带的tACS可影响工作记忆的加工和容量。HD-tACS在tACS的基础上提供更精确皮层结构的目标。

研究假设

如果颞叶的θ-γ PAC以及前额叶与颞叶的θ频段同步性能够促进年轻人工作记忆的话，那么老年人在这两处相应的脑内模式应该是不足的。故作者假设，使用HD_tACS同时作用于前额叶和颞叶来增强两者间的功能连接并使之表现出更多θ频段同步性的话，将有助于提升老年人的工作记忆能力。

方法

被试：

实验1共91人完成，7人被排除分析，剩余84人，年轻人和老年人各一半。年轻被试（女性20人）的年龄在20到29之间，平均年龄24.4±2.8岁，均为右利手，平均教育年限15.7±1.3年；老年被试（女性22人）的年龄在60到76之间，平均年龄68.8±4.4岁，均为右利手，平均教育年限17.0±2.3年。

实验2共31人完成，3人被排除分析，剩余28人，其中女性14人。年龄在62到75之间，平均年龄69.6±3.7岁，均为右利手，平均教育年限16.4±1.4年。

实验3共18人，无被试删除，其中女性9人。年龄在21到28之间，平均年龄25.3±2.3岁，均为右利手，平均教育年限16.1±1.2年；

实验4共14人，来自实验1中的42位年轻成人中成绩最差的14人，其中女性9人。年龄在21到29之间，平均年龄26.8±1.8岁，均为右利手，平均教育年限14.8±1.1年。

刺激与程序：

1材料

6800张真实的自然物体图片，来自Konkle etal., (2010)和Bradyet al., (2008)

2程序：分为记忆block和非记忆警觉控制block。

记忆block中，

指导语：识记目标图案并对探测刺激做又快又准的反应

①随机时长十字注视点（< 0.01 cd m−2，视角0.4×0.4°，800—1200ms）；

②带有纹理和颜色的高清物体图片作为目标刺激，呈现200ms；

③延迟3000ms；

④探测刺激呈现200ms（由对应的目标刺激增加、减少、歪曲或者旋转得到。一半的探测刺激与目标刺激保持相同，另一半进行上述变换）；

⑤反应：右手拇指按键判断探测刺激与目标刺激是否相同；

⑥反馈：每个试次对被试的正误进行反馈。

控制block中，

指导语：忽视目标图案并对探测刺激做又快又准的反应

①②③同上；

④探测刺激：顺时针或者逆时针偏斜（各50%）的光栅30ms；

⑤线条倾角45°的格子掩蔽120ms；

⑥反应：按键判断光栅是顺时针还是逆时针偏斜；

⑦任务难度基于被试在记忆block中的成绩进行调整（使光栅偏斜角在0.3°到5°间变化）

每次实验包含15个记忆block和15个控制block，交替呈现，每个block包含26个试次。

实验1中，年轻被试分两天完成，一天是实验前筛选，一天为正式实验，即给予伪HD-tACS后收集EEG和行为数据。老年被试分三天完成，一天实验前筛选，一天给予真实HD-tACS后收集EEG和行为数据，一天给予伪HD-tACS后收集数据。HD-tACS的类型进行双盲操作。前10个block给予HD-tACS刺激（约25分钟），后20个block无HD-tACS刺激（约50分钟）。行为数据全程分析，EEG数据只分析后20个block。

实验2中，实验程序与实验1相同，但只收集行为数据。一组新的老年被试分五天完成实验：

第一天测量工作记忆的基线水平；

第二天进行额颞叶同相θ波调谐并完成实验；

第三天只对前额进行θ波调谐刺激并完成实验（如图a）；

第四天只对颞叶进行θ波调谐刺激并完成实验（如图b）；

第五天对额颞进行8Hz非调谐刺激以测试频率特异性。

实验3中，程序同实验1，分三天完成，一天使实验前筛选，一天进行真实HD-tACS刺激，一天伪HD-tACS刺激，但只进行有真或假刺激的10个block。

实验4中，收集被试额颞叶同步调谐θ波HD-tACS刺激前，刺激中和刺激后的10个block数据。

EEG收集与分析

EEG收集采用ActiChamp有源通道放大器，根据国际10~20系统，电极数96，采样频率1000 Hz。右侧乳突作在线参考。双眼眼角外侧放置双极电极监测水平眼位，左眼上方和下方放置双极电极监测垂直眼电与眨眼。

EEG分析采用Fieldtrip toolbox和Matlab脚本。重参考为双侧乳突，滤波0.1-170Hz，分段为目标图片出现前的2000ms到出现后的5000ms。

HD-tACS

HD-tACSAg/AgCl电极与actiCapslim电极安装在128导的脑电帽上以施加刺激。通过10个被试的前测，发现左侧前额叶与左侧颞叶在两种block的任务中参与程度最大，故被选为刺激施加的目标区域。前额到颞叶montages刺激强度（peakto peak）为1.6mA，颞叶montage强度1.0mA，额叶montage强度0.6mA。

结果

HD-tACS能提升并维持老年人的工作记忆成绩

如下图a，实验1中年轻被试在反应时和正确率上都优于老年被试。更重要的是老年被试的正确率在真实刺激后显著短于伪刺激，说明HD-tACS刺激提升了老年被试的工作记忆成绩。将记忆block按4分钟划分为9个bin，每个bin中也表现出了与a中相同的数据结果，说明该结果在整个实验过程中都非常稳定（如下图b和c）。

老年人的工作记忆存在θ-γ节律的失同步，HD-tACS可修复这种失同步且这种修复与行为成绩提升相关

如下图a，年轻被试在左侧颞叶表现出显著的记忆特定PAC结果，振幅频率在7-9Hz与26-34 Hz之间。而老年被试在伪刺激条件下并未表现出相同模式，但经历真HD-tACS刺激后老年人与年轻人变现出相同模式。

如下图b，PAC结果在group×block间的交互作用显著，且主要表现在左侧颞叶的电极上，说明老年被试在记忆试次中缺乏特定频率的PAC。

如下图c，年轻被试在完成记忆试次时表现出完整的工作记忆网络嵌套性（θ相位显著受到γ幅值的影响），而伪刺激条件下的老年被试θ相位是随机分布的，但经历真HD-tACS刺激后老年被试与年轻被试变现出相同模式。

如下图d，用相位斜率指数(PSI)分析PAC，也证实了这一结果模式。在左侧颞叶年轻人的γ幅值表现出对θ相位的预测性，而伪刺激条件下老年人的这种预测性明显降低，但经历真HD-tACS刺激后老年被试与年轻被试变现出相同模式。

如下图e，为揭示PAC与行为之间的关系，在个体水平上对两者做相关。年轻被试中θ-γPAC越强者其行为正确率也越高 (r41= 0.611，P< 0.01)，而伪刺激条件下的老年被试并未表现出该相关关系(r41= 0.188，P= 0.233)，但经历真HD-tACS刺激后老年被试与年轻被试变现出相同模式（r41= 0.571，P< 0.01）。

老年被试θ远程同步性弱化而短程γ同步性正常

在PAC（7-9 Hz）揭示的θ频段内计算从左侧颞叶种子体素到其他脑区体素锁相值（PLV，phase-locking value）。矫正后发现记忆block相对于控制block来说，只有左侧前额叶增加了与左侧颞叶的相位同步性。但是这种效应只出现在年轻被试和施加了真实HD-tACS刺激后的老年被试中（如下图a）。而左侧颞叶与相邻脑区（如外侧枕叶）的γ锁相值在年龄组之间并没有表现出显著差异，且对老年被试施加HD-tACS刺激也并不影响这一结果（如下图b）。