Brain Stimulation|实时相位调整的经颅交流电刺激增强工作记忆

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摘要

•背景：先前的研究已经表明，针对顶枕部α波（8-14 Hz）的经颅交流电刺激（tACS）可以根据与内源性振荡的相位差来调节工作记忆（WM）表现。然而，由于刺激伪迹阻碍了连续的相位跟踪，实时相位调整的tACS尚未实现。

•目标和假设：目标是开发一个系统，可以实时跟踪和调整tACS和正在进行的顶枕α振荡之间的相位滞后。实验假设实时相位调整的tACS能够根据与内源性α节律的相位差来增强工作记忆的准确性。

•方法：研究者开发了针对顶枕部α波的实时相位调整的闭环幅度调制tACS（CLAM-tACS）。在参与者执行工作记忆任务时，CLAM-tACS被应用于六个不同的相位差（30◦，90◦，150◦，210◦，270◦和330◦）。为了排除CLAM-tACS的行为效应可能是由其他因素（如感官共刺激）介导的，第二组参与者接受了等效的额头刺激。

•结果：在接受顶枕部刺激的组中，工作记忆准确性以相位差依赖的方式提高，在tACS与正在进行的α波之间的330°相位差时观察到最强的增强。此外，跨参与者的前顶叶α波的调制与工作记忆准确性的调制在幅度和相位上都相关。在接受额部刺激的对照组中没有观察到这种效应。

•结论：作者的研究结果证明了实时相位调整CLAM-tACS调节大脑活动和行为的可行性和有效性，为进一步研究大脑-行为关系和探索创新的治疗应用铺平了道路。

研究结果

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图1CLAM-tACS实时相位调谐到顶枕α振荡

首先，对每个参与者在CLAM-tACS期间记录的脑电图数据进行离线分析表明，功率谱（图1A）和相位信息（图1B至D）已成功恢复。没有参与者感知到任何有节奏的皮肤感觉或视觉闪烁。为了量化实时相位调谐的性能，作者评估了目标通道中使用以电极Pz为中心的拉普拉斯滤波器获得的CLAM-tACS包络和顶枕α振荡之间的锁相。在没有电刺激的情况下，实验（0.699±0.351 κ）组和对照组（0.780±0.246 κ）的闭环系统（参与者和环路中的硬件模拟）的基线性能相当（t(44) =-0.890,p = 0.378）。在CLAM-tACS过程中，实验闭环系统的性能（t(44) =-2.68,p = 0.0104）（0.411±0.240 κ）低于对照组（0.584±0.189 κ）。实验组α峰频率（11.1±0.716 Hz）与对照组（10.8±0.869 Hz）差异无统计学意义（t(44) = 1.61, p = 0.12），说明两组所受刺激频率无显著差异。

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图2 CLAM-tACS以相位滞后依赖的方式提高了WM精度

在实验组中WM精度受CLAM-tACS相位滞后调制（如图2A）。与基线相比，内源性α振荡的330◦相位滞后刺激最强烈地提高了WM精度。相反相位滞后（150◦）的刺激相对于基线没有抑制性能。图2B虽然基线和150◦相位滞后时WM性能不同，但在对照组中没有发现CLAM-tACS相位滞后对WM精度的体影响。

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图3CLAM-tACS同时调节额顶α同步和WM精度

然后，评估了在脑电图传感器信号中测量的CLAM-tACS相位滞后对α同步的影响。发现大脑区域的额顶叶网络已被CLAM-tACS调节（图3A）。当评估该网络中同步调制的百分比时在单参与者水平上使用CLAM-tACS相位滞后的正弦拟合，发现实验组（5.08±1.20%）比对照组（4.51±1.58%）具有更高的调制趋势。在实验组中，该网络中增强α同步的相位滞后在不同参与者之间存在差异（223±114◦）（图3B），并与增强WM准确性的相位滞后相关（rmmi = 0.610, p = 0.0270，排列检验）。值得注意的是，这些相位滞后表现出一致的滞后（PLV = 0.415, p = 0.0230，排列测试）（215±76.0◦）图3D，表明每当额顶叶α同步增强时，WM准确性就会受到抑制，反之亦然。用于增强和抑制的相位滞后被共同确定为与相位箱数据相拟合的正弦函数的最大值和最小值的位置。重要的是，α同步调制的幅度也与WM的幅度相关精度调制（r = 0.456, p = 0.0248）（图3C）。在对照组中，没有发现CLAM-tACS对α同步的调节。

如前所述，如果正在进行的振荡的同步性很强，tACS可能只能抑制目标振荡和相关行为。相反，如果正在进行的振荡中的同步性很弱，tACS可能只能增强目标振荡。然而，这一猜想仍然需要在一个专门的研究中进行适当的实验设计。

结论

通过在视觉WM范式中调节顶枕α振荡来验证CLAM-tACS，其中CLAM-tACS和内源性α振荡之间的相位滞后在试验中系统地变化。发现CLAM-tACS对WM准确性的影响依赖于相位滞后，并与额顶α同步的在线变化有关。虽然作者的方法的技术性能还有待充分表征和改进，但实时相位调谐tACS有望实现振荡脑活动和相关功能的相位依赖调制。