Brain Stimulation| 电刺激背外侧前额叶皮层可抑制人类前庭信号：一项基于BOLD功能磁共振成像的研究

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背景

“sGVS”通常指随机性前庭电刺激（stochastic Galvanic Vestibular Stimulation）。该方法通过在受试者双侧耳后乳突区域贴上电极，并连接刺激仪，输出低强度（一般不超过±1 mA）、频率不断变化的随机电流，从而通过皮肤作用于前庭系统。这种刺激方式不仅能影响前庭交感反射，即在直立应激状态下，前庭系统通过调节肌肉交感神经活动（MSNA）来调控交感输出，还可激发前庭系统对头部在重力场中的空间位置信息的感知功能。已有研究表明，正弦电刺激可引发受试者产生如同“船上摇晃”或“吊床摆动”般的主观晃动感，并可能在部分个体中诱发晕动症（motion sickness）。以往研究采用功能性磁共振成像（fMRI）技术对sGVS期间的大脑激活模式进行探查，发现前庭感知的神经加工主要涉及岛叶皮层及其周边区域，特别是顶-岛前庭皮层（PIVC）。在此背景下，本研究旨在通过经颅交流电刺激（tACS）干预和调控sGVS所诱发的前庭错觉及自主神经反应，以进一步探讨背外侧前额叶皮层（dlPFC）对前庭系统的调控作用机制。

方法

本研究招募了 20 名无痛受试者（11 名女性和 9 名男性；年龄：19-39 岁，平均值±标准差（SD），26.6±5.4 岁；身高：152-190 cm，169.2±10.5 cm；体重：45-110 kg，68.2±15.2 kg）

在实验正式开始前，依次施加以下三种刺激条件：前庭刺激（sGVS）→ dlPFC刺激（tACS）→ sGVS与tACS的同步刺激（sGVS + tACS）。每种刺激后，均会询问受试者是否感受到晃动或恶心，以及是否能耐受刺激。

实验过程中，受试者采取仰卧位，躺在MRI扫描床上。在其体表安装三个心电电极、呼吸带和指脉搏带，并向其发放紧急中止按钮以确保安全。

在采集完T1结构像后，开始进行一轮持续35分钟的回波平面成像（EPI）BOLD-fMRI扫描。在该扫描过程中，以随机顺序依次施加三个5分钟的刺激序列，每段刺激后均设有5分钟的恢复期，扫描前还设有一个5分钟的基线期。整个实验用于观察不同刺激条件下的血氧水平依赖性信号变化（BOLD响应）。

fMRI 扫描结束后的主观感知访谈问题：

1. 您能回忆并确认三种刺激的施加顺序吗？如果可以，请说明顺序。

2. 在任何一种刺激过程中，您是否曾感到晃动感和/或恶心？如果有，请指出是在哪一种刺激条件下出现的。

3. 如果您回答“是”表示曾感到恶心，请您进一步评价恶心的程度（使用 1–10 分量表：1 表示轻微恶心，10 表示严重恶心，类似要呕吐的感觉）。

4. 在扫描过程中，您是否还有其他感知体验？如果有，请简要描述具体内容。

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图1.实验流程图

结果

被试主观感受反馈

20名参与者中，16 名能够正确识别刺激的顺序。通过分析摇晃感知的发生率（即摇晃感知到或未感知到，因为摇晃程度无法量化），发现 sGVS 期间的摇晃发生率显著高于 dlPFC 的tACS 期间（P < 0.0001）和同时刺激期间（P = 0.0273）。此外，dlPFC的tACS期间的摇晃发生率与同时刺激期间的摇晃发生率并无显著差异（P = 0.1733）。

皮层fMRI信号变化

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图2.皮层信号强度相对于基线的变化

在fMRI中记录到的大脑皮层区域BOLD信号相对于基线的变化中，总体而言sGVS 和 tACS 单独刺激会分别引发不同脑区的活化和抑制。但是联合刺激时大多数脑区表现为信号增强，仅一个脑区信号下降。

同步刺激下的相对信号变化

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图3.皮层信号强度相较于其他刺激的变化

本研究进一步将联合刺激（sGVS + dlPFC tACS）与单一刺激条件（仅sGVS或仅dlPFC）进行了直接比较。结果显示，在多个脑区中，联合刺激引发的信号强度变化显著不同。虽然表面上观察到联合刺激似乎导致更强的BOLD信号反应，但进一步分析表明，这种差异并非由于激活增强所致，而是因为联合刺激抑制了原本由单一刺激引起的信号下降。

此外，本研究还对sGVS单独刺激与dlPFC单独刺激及二者联合刺激所引发的脑信号反应进行了比较，进一步揭示了不同刺激方式在中枢处理机制上的差异。

脑干分析

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图4.脑干信号强度相对于基线及其他刺激条件的变化

总体而言，在施加 sGVS 和 dlPFC tACS 的刺激条件下，多个脑干区域均表现出显著的信号强度变化；而在两者同时刺激时，大多数区域未显示出显著的信号反应。

前庭刺激（sGVS）引起孤束核（NTS）区域的信号强度增加，同时导致双侧下橄榄核（ION）信号强度下降（见图A）。

相较之下，dlPFC刺激引发了不同的激活模式：腹侧被盖区（VTA）信号强度增加，而脑桥腹侧被盖区则表现出信号下降（见图B）。

在联合刺激（sGVS + dlPFC）条件下，脑干大部分区域的信号强度未见显著变化，仅有腹侧脑桥区域出现了信号下降（见图C）。

值得注意的是，联合刺激在包括ION、RVLM、SN、NTS 和 Raphe在内的多个关键脑干区域，表现出不同于任何单一刺激条件的信号模式，呈现出一种双向调节效应：一方面增强了交感神经调控相关区域的激活，另一方面抑制了某些自主中枢的异常激活。这一结果提示，dlPFC在调控前庭庭-自主神经整合中可能发挥着核心调节作用。

结论

与此前的研究一，本研究进一步证实，背外侧前额叶皮层（dlPFC）能够抑制个体对前庭晃动感的感知。功能性脑成像结果显示，岛叶/顶盖区（insula/PO）、丘脑（thalamus）以及孤束核（NTS）是这一交互过程中尤为关键的三个脑区。

这三个区域虽然都在前庭通路与dlPFC相关的调控网络中发挥着重要作用，但在dlPFC与前庭系统同时接受刺激时，其激活模式与单独刺激任一系统时明显不同。因此，本研究推测，dlPFC对前庭系统所产生的自上而下的抑制作用，可能正是通过这一个或多个脑区得以实现的。