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额顶叶经颅交流电刺激对不同姿势下工作记忆的干预效果

2024-07-12 11 上传者：管理员

摘要：目的：探究额顶叶θ-经颅交流电刺激（theta-transcranial alternating current stimulation,θ-tACS）对健康成年人不同姿势条件下（坐位和站立位）工作记忆表现的影响。方法：本研究为随机、交叉、双盲设计。选取16名健康成年人，以随机顺序进行tACS真刺激和假刺激，两次刺激之间至少间隔72h。tACS方案使用7个电极放置于左侧额顶叶振荡关键脑区，频率选择为6Hz，持续21min。假刺激方案使用与tACS真刺激方案相同的刺激靶区、频率，但只进行1min的刺激（刺激开始和结束各30s）。在刺激前和刺激后即刻评估坐位及站立位n-back工作记忆表现，包括正确率、反应时和逆效率得分。采用Wilcoxon秩和检验观察刺激方式对工作记忆影响的组间及组内差异。结果：15名受试者完成试验，两种刺激条件均未出现明显副作用和不良反应。额顶叶θ-tACS后，坐位工作记忆的反应时、逆效率得分与站立位的反应时改善显著（P<0.05），站立位逆效率得分具有改善趋势（P=0.057）；与刺激前相比，假刺激后坐位及站位工作记忆均无显著性差异（均P>0.05）。结论：额顶叶θ-tACS可以改善坐位和站立位不同姿势下的工作记忆表现，有助于健康成年人应对现实生活中的多任务认知活动，具有重要的实践应用价值。

关键词：
信息临时存储
健康成年人
工作记忆
数学技能
经颅交流电刺激
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工作记忆是在执行复杂认知任务时，大脑对信息临时存储、加工和操纵的一种能力[1,2]，其对于支持学习、规划、数学技能、推理等高级认知功能十分重要[3,4,5]。较差的工作记忆表现往往会与动作完成度低、运动决策失误、运动失常等有关[6]。此外，在日常生活中，人们执行谈话、阅读或解决问题等认知活动时，往往同时执行站立、行走等额外任务，即姿势控制—认知双任务[7]。与单一认知任务相比，同时执行姿势控制—认知双任务的个体，包含工作记忆等的认知表现往往会下降[8]，影响个体日常活动或在体育活动中对战略战术信息的制定与实施。如何通过有效手段提升工作记忆能力或提升任务处理效率，提高不同姿势下的认知任务表现成为一大研究问题。经颅交流电刺激（transcranial alternating current stimulation,t ACS）是一种改善大脑功能的非侵入性神经调控技术，其通过在头颅施加微弱的正弦交流电流，可通过同步神经元网络，调节大脑中的振荡节律改善认知功能[9]。研究表明，工作记忆相关信息进行加工时，额顶叶脑区的θ波段波幅显著增加，且这种增加与认知负荷成正相关[10,11]。基于此，前人研究已初步证实额顶叶θ-t ACS可提升不同人群在单任务坐位条件下的工作记忆表现[12,13]，但尚未有研究评价其对站立双任务条件下工作记忆表现的影响，而这往往在现实生活中具有更大的应用价值和实践意义。因此，本研究主要目的是探究额顶叶θ-t ACS对健康成年人不同姿势条件下（坐位和站立位）工作记忆表现的影响。本研究假设，与假刺激相比，t ACS可以提升健康成年人不同姿势下的工作记忆表现。

1、资料与方法

1.1 一般资料

通过招募筛选后，本研究共纳入16名健康成年人。纳入标准：(1)年龄18—25岁；(2)右利手及右利腿；(3)无心理、生理方面的疾病，且运动、认知等身体功能正常；(4)无扁平足、足部畸形、足踝疼痛等足部慢性症状；(5)近3个月无下肢骨骼系统损伤；(6)无电刺激禁忌证（如头部金属植入物等）。研究已通过上海体育大学伦理委员会审核（批准号：102772020RT109）。所有受试者在纳入之前需要了解t ACS的基本内容，理解本试验主要目的与试验流程并签署知情同意书。

1.2 方法

1.2.1 试验设计：

本研究为随机、交叉、双盲设计。每名受试者来访3次，第1次来访要求被试练习认知任务，熟悉并掌握认知任务要求。第2—3次来访受试者随机接受真假t ACS刺激，并在刺激前与刺激后即刻完成不同姿势下（坐位和站立位）工作记忆任务，两种电刺激之间至少间隔72h[14]。要求受试者测试前24h内不能进行熬夜，剧烈运动，饮用任何含有咖啡因等兴奋类物质的饮料。

1.2.2 经颅交流电刺激方案：

使用Starstim®电刺激系统（Neuroelectrics Inc.,Barcelona,Spain）对受试者进行多焦点t ACS干预。根据本研究的主要刺激靶区，使用Stimweaver®软件模拟并优化大脑电场，确定最佳电极放置位置及电流强度，以期集中化刺激目标靶区并最小化电流对其他脑区的潜在影响[15]，最终确定了以加强左额顶叶θ振荡的同步性为调控目标的同相位θ-t ACS方案（图1）。刺激开始前，将直径1cm的圆形Ag/Ag Cl胶状电极放置于氯丁橡胶帽对应的孔中，在电极表面以及刺激位置涂上导电凝胶后戴好电极固定帽，刺激总时长为21min，包括刺激开始和结束各30s的缓升和缓降阶段。假刺激（Sham）方案使用与多焦点t ACS使用相同的刺激靶区、电流强度，但只进行1min的刺激（刺激开始和结束各30s）。电刺激仪器由1名熟练操作且未参加本研究的人员管理，受试者和研究人员均不知晓刺激类型。受试者以坐位放松状态下接受t ACS刺激，该过程中不需要执行任何任务，但需保持清醒。中途受试者若出现任何不适，立即中止刺激。每次干预结束后，受试者需完成一份关于t ACS的不良反应问卷。

图1 额顶叶θ-t ACS方案电极摆放与模拟电场

受试者将以不同姿势完成工作记忆任务。(1)坐位（单任务）：受试者坐于电脑前，眼睛与呈现刺激的电脑屏幕高度保持一致，共完成3组block，每个block间有30s的休息时间；(2)站立位（双任务）：受试者双手自然下垂，双眼平视前方，双脚前后站立，后脚的脚趾抵住前脚的脚跟（优势脚在前），见图2[16]。在保持平衡的状态下完成2组3-back任务，每个block间休息30s。两组姿势测试顺序随机进行，在受试间平衡以消除学习、疲劳等潜在的不对称调节效应。

图2 站立位双任务示意图

1.2.4 工作记忆任务：

本研究所采用3-back测试程序通过MATLAB软件编程控制实现（图3）。测试过程中，首先屏幕中间出现“+”（试验全程出现），1500ms后出现第一个视觉刺激（一个白色圆圈，呈现500ms），位置为围绕“+”的3×3九宫格的任意位置（共有8个位置可能），间隔1500ms后再次呈现视觉刺激，依次类推。受试者需要记忆每个刺激物所在的位置，在第3个刺激呈现之后，判断圆圈出现的空间位置是否与前第3个呈现的刺激相同，相同按鼠标左键，不同按鼠标右键。每个block共有28个trails，其中包括50%目标刺激。测试指标包括准确率、反应时以及逆效率得分（反应时/准确率）。1.3 统计学分析

数据符合正态分布时使用平均值±标准差表示，反之用中位数（四分位数）表示。当数据满足正态分布和方差齐性时，使用双因素重复测量方差分析模型评估t ACS和Sham干预前后工作记忆表现变化是否存在显著性差异。同时使用配对样本t检验分析两组各指标刺激前后变化是否存在显著性差异。若数据不满足正态分布，则使用Wilcoxon秩和检验分别对两组刺激前后的差值以及两组刺激前后的差异进行组间及组内分析。不良反应（单向有序分类变量）采用Wilcoxon秩和检验。使用SPSS26.0进行数据分析，显著水平设为α<0.05。

图3 3-back工作记忆任务测试示意图

2、结果

2.1 受试者基本信息与不良反应

1名受试者中途退出，最终15名受试者（男性6人，女性9人）完成本次试验。受试者基本信息如下：年龄（20.73±2.24）岁；身高（166.93±7.60)cm；体重（59.47±12.25)kg。t ACS刺激过程中受试者状态良好。由于1名受试者问卷填写过快被排除在外，Wilcoxon秩和检验发现两组在副作用方面均不存在显著性差异（均P>0.05，见表1）。2.2 额顶叶θ-t ACS对坐位姿势下工作记忆表现的影响

Wilcoxon秩和检验显示，两组刺激之间准确率、反应时及逆效率得分不存在显著组间差异（均P>0.05）。组内分析结果显示，t ACS组刺激后仅有反应时（P=0.001）及逆效率得分（P=0.005）显著改善，假刺激组刺激前后行为学无任何显著性差异（均P>0.05），见表2。2.3 额顶叶θ-t ACS对站立位姿势下工作记忆表现的影响

Wilcoxon秩和检验显示，两组刺激之间准确率、反应时及逆效率得分不存在组间差异（P>0.460）。组内分析结果显示，t ACS组刺激前后反应时具有显著性差异（P=0.004）、逆效率得分存在改善趋势（P=0.057），而准确率刺激前后无显著性差异（P>0.05）。假刺激组刺激前后行为学各指标均无任何显著性差异（均P>0.05），见表2。3 讨论

本研究发现采用额顶叶θ-t ACS可以改善健康成年人坐位及站立位条件下的工作记忆表现，进一步证明t ACS可以作为一种有效干预不同条件工作记忆表现的非侵入性脑刺激手段。相比较传统大电极覆盖较宽泛区域，本研究使用多个小电极摆放的多焦点t ACS可以将电流精准聚焦地传输到目标脑区，具有更强的空间分辨率[17]。同时，电刺激技术与计算机建模技术相结合，能够实现在大脑皮质中电流流向的导航，确保电刺激参数可以有效刺激目标靶区[18]。

表1 t ACS及Sham不良反应结果比较

表2 t ACS和Sham对不同姿势下工作记忆表现的影响

一项对功能磁共振成像研究的meta分析显示，广泛使用的工作记忆任务之一n-back任务一致地激活了前额叶和顶叶区域[19]。同时，研究表明前额叶与顶叶密切协调相互作用，前额叶皮层通过对后皮层区域施加自上而下的控制来促进工作记忆，从而加强了存储在这些区域的感觉信息的内部表征[20]。由于不同的时空尺度，脑区间通过神经元活动的振荡同步进行信息交流[21],θ频段的振荡增强可以提高两脑区间这种同步效率，从而提升工作记忆表现[22]。基于神经夹带原理[23],t ACS可以通过施加外源性的振荡调控内源性神经振荡，致使工作记忆记忆相关的神经振荡网络得以同步化驱动，提高信息处理效率，最终实现改善工作记忆的作用[22]。本研究中，特别是坐位姿势条件下，我们发现6Hz-t ACS显著改善受试者工作记忆表现，这与前人研究一致[22,24]，进一步证实t ACS在调节工作记忆相关神经振荡中的作用。除坐位单任务工作记忆表现之外，本研究发现额顶叶θ-t ACS还可调控站立位双任务下工作记忆表现。在日常生活的多任务环境中，个体在执行认知任务时，需要同时兼顾各种姿势控制（如站立）。资源共享理论指出，由于中枢处理资源有限，在保持一种姿势的同时执行不同的空间任务时，空间任务表现可能会受到干扰，造成认知表现下降[25]。Useros Olmo等[8]发现，相较于坐位工作记忆任务，受试者在完成高难度站立位—工作记忆、行走工作记忆任务时出错率明显增多，增加的姿势控制明显对认知任务造成了显著干扰。一些研究表明，由于姿势控制具有空间成分，需要空间处理的认知任务可能受到姿势控制的干扰更大，如在执行姿势控制—认知双任务时，空间工作记忆比言语工作记忆受到的干扰更大[8,26]。本文推测通过t ACS改善工作记忆或可通过以下两种途径：(1)通过神经夹带效应增强内源性神经振荡直接改善工作记忆表现；(2)通过减少相关中枢资源的使用，将更多的资源分配给姿势控制从而降低姿势控制对工作记忆任务的干扰，进而间接改善工作记忆。未来研究应加入监测姿势控制相关参数，以观测经t ACS干预后，受试者在完成站立位工作记忆任务时姿势控制干扰幅度是否有改善。本研究存在一定局限性。首先，样本量较小，受试人群仅为健康年轻人，未来的研究需要扩大样本量，同时探究这种刺激方案对其他人群（如老年人）的影响；其次，研究仅涉及行为学、缺少神经电生理手段探究其背后可能的影响机制；最后，本试验只关注即刻效应、缺少重复性累积效应验证。综上所述，本研究证明了额顶叶θ-t ACS可以改善坐位和站立位不同姿势下的工作记忆表现，有助于健康成年人应对现实生活中的多任务认知活动，具有重要的实践应用价值。

参考文献:

[6]迟立忠,马晓,张禹.竞技运动中的工作记忆[J].心理科学进展,2014,22(10):1543—1555.

基金资助:国家自然科学基金项目(123024181,1932013); 上海市体育科技项目(24J013);

文章来源:玉凤,肖燕文,黄灵燕,等.额顶叶经颅交流电刺激对不同姿势下工作记忆的干预效果[J].中国康复医学杂志,2024,39(07):965-970.