Prog Neurobiol|跨频耦合在认知控制不同成分中的因果作用

摘要

认知控制是指引导运动和感知系统以实现抽象目标的能力。与运动活动相关的高频神经振荡（β节段为13-30Hz，γ节段为>30Hz）已知会受到认知控制信号的调制。有人提出，认知控制的一种机制是通过跨频耦合，即前额叶皮层的低频网络振荡（δ节段为2-3Hz和θ节段为4-8Hz）引导与行动规划相关的运动活动以及与记忆访问相关的感知活动。然而，对于跨频耦合在这些可区分的认知控制组成部分中的因果作用，目前尚无证据。为填补这一知识空白，作者在执行任务期间施加了跨频经颅交流电刺激（CF-tACS），该任务在两个维度上操纵了认知控制需求：任务规则的抽象程度（嵌套的动作选择层次）增加了δ-β耦合，规则数量（记忆中的集合大小）增加了θ-γ耦合。作者发现CF-tACS增强了目标相位-幅度耦合，并调制了与关联认知控制组成部分相关的任务表现。这些发现为前额叶皮层通过两种不同的跨频耦合方式协调认知控制的不同组成部分提供了因果证据。

方法

1、参与者：27名参与者参加了该研究，24名完成了实验（19名女性，5名男性）。参与者年龄在18到25岁之间（平均19.7岁，标准差1.55）。

2、分层认知控制任务：抽象程度和记忆集大小。

3、实验设计：通过层次化认知控制任务，操纵任务规则的抽象程度和记忆集大小两个维度，评估认知控制需求的变化对行为表现和神经振荡的影响。

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图1.分层认知控制范式

实验任务旨在操纵两个关键维度：任务规则的抽象程度（低抽象vs.高抽象）和规则集大小（低集vs.高集）。

任务包含两个主要条件：响应任务（低抽象）和维度任务（高抽象）。每个条件进一步分为低集和高集两个子条件。实验通过这些操纵，评估不同认知控制需求对行为表现的影响。

响应任务（低抽象条件）:学习并记忆彩色方块与键盘特定按键之间的映射关系。

维度任务（高抽象条件）:实验开始前，告知参与者不同颜色对应不同的特征维度（如蓝色和紫色对应纹理维度，红色和绿色对应形状维度）。

每个实验会话包含8个block，每个条件（低抽象低集、低抽象高集、高抽象低集、高抽象高集）各两个block。顺序随机排列，确保同一条件的block不会连续出现，每个 block包含48个trial。

行为表现结果：

反应时间：发现随着任务抽象程度和集大小的增加，参与者的反应时间显著变慢。高抽象和高集条件组合时，反应时间比其他条件显著增加（平均差异为307±105毫秒）。

准确性：任务的抽象程度和集大小对准确性的交互作用显著，主要是高抽象和高集条件组合时准确性有所下降（平均差异为−2.28±4.61%），而单独的抽象程度或集大小对准确性影响不大。

图1表明，随着认知控制需求的增加（即任务抽象程度和集大小的提升），参与者的反应时间变长，且在高抽象和高集条件下，其准确性也受到影响。

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图2.认知控制成分的时频分析

实验中通过时间-频率分析得到的结果，揭示了在不同认知控制需求下，前额叶皮层低频振荡（δ和θ）的幅度变化。说明δ振荡与θ振荡分别参与了不同方面的认知控制过程，且它们的幅度变化与特定的认知控制需求（抽象程度和集合大小）紧密相关。

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图3.分层认知控制中的相位-幅度耦合

图3 展示了相位-幅度耦合（PAC）分析的结果，揭示了在不同认知控制需求下，前额叶皮层的低频振荡（δ 和 θ）与后皮层的高频振荡（β 和 γ）之间的耦合模式。说明δ-β 耦合和θ-γ耦合分别在认知控制的不同组成部分（抽象规则处理和记忆集维持）中起着特异性的作用。

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图4.使用交叉频率经颅交流电刺激进行因果关系调查

图4展示了CF-tACS的实验设计和刺激蒙太奇；描述了 CF-tACS 的实验设计和实施过程，确保了刺激的个性化和针对性，并通过电场分布模型验证了刺激的有效性。

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图5.CF-tACS对行为和相幅耦合的影响

图5展示了CF-tACS对行为表现和PAC，揭示了特定频率的CF-tACS如何调节认知控制的不同组成部分。说明δ-β 和 θ-γ 耦合分别在认知控制的不同组成部分中起特异性作用，且CF-tACS能够通过增强特定的跨频耦合模式来调节认知功能。

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图6.CF-tACS相位-振幅耦合的形貌

图6 展示了CF-tACS对PAC的拓扑分布影响，揭示了不同频率的CF-tACS如何在头皮不同区域诱导PAC变化。结果显示 CF-tACS 能以频率特异性方式增强特定脑区的 PAC，且不同频率的 CF-tACS 对大脑不同区域的耦合模式有不同影响，证实了跨频耦合在认知控制中的作用。

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图7.低频功能连接性分析

图7展示了低频功能连接分析的结果，具体是在δ-β tACS和θ-γ tACS对delta频段（2–3 Hz）功能连接的影响。说明δ-β tACS增强了运动控制网络内的δ频段功能连接，可能重组了该网络，而θ-γ tACS则没有这种影响。

结论

研究结果表明，δ-β 和 θ-γ 跨频耦合分别在认知控制的不同组成部分（抽象规则处理和记忆集维持）中起着特异性的作用。通过CF-tACS增强特定的跨频耦合模式，可以调节认知功能，这为前额叶皮层通过跨频耦合协调不同认知过程提供了因果证据。