近日，北京大學(xué)心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院、麥戈文腦科學(xué)研究所、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心方方課題組在神經(jīng)調(diào)控領(lǐng)域頂級期刊Brain Stimulation發(fā)表題為“Boosting visual perceptual learning by transcranial alternating current stimulation over the visual cortex at alpha frequency”的研究論文，該研究首次發(fā)現(xiàn)在執(zhí)行訓(xùn)練任務(wù)過程中對視覺皮層施加10 Hz經(jīng)顱交流電刺激（transcranial alternating current stimulation，以下簡稱tACS）可以加速視知覺學(xué)習(xí)進(jìn)程并增強(qiáng)學(xué)習(xí)效能。


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“無他，唯手熟爾”是北宋文學(xué)家歐陽修的作品《賣油翁》中膾炙人口的名句，故事告訴我們反復(fù)練習(xí)是提高精細(xì)動作技能的充分條件。同樣地，反復(fù)練習(xí)也可以提高已發(fā)育成熟的視覺系統(tǒng)的知覺能力，該現(xiàn)象被稱為視知覺學(xué)習(xí)（visual perceptual learning）。例如，有經(jīng)驗(yàn)的影像科醫(yī)生能夠快速而準(zhǔn)確地識別出醫(yī)學(xué)圖像中的病灶位置。視知覺學(xué)習(xí)反映了視覺系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)依賴型神經(jīng)可塑性，為無創(chuàng)地研究視覺神經(jīng)可塑性提供良好的范式。迄今為止，大量的研究致力于探究視知覺學(xué)習(xí)發(fā)生的皮層位置和形式，然而對于其發(fā)生的神經(jīng)振蕩機(jī)制知之甚少。與此同時，日益精進(jìn)的tACS技術(shù)，能夠以頻譜特異性方式調(diào)控大腦內(nèi)在神經(jīng)振蕩活動，從而建立認(rèn)知與神經(jīng)振蕩活動之間的因果關(guān)系，為回答該問題提供了良好的方法支持。為此，方方課題組采用tACS技術(shù)結(jié)合心理物理學(xué)方法對該問題進(jìn)行了探究。

在該研究中，研究者采用在視知覺學(xué)習(xí)研究中廣泛使用的朝向辨別任務(wù)（orientation discrimination task）作為主要實(shí)驗(yàn)任務(wù)。在朝向辨別任務(wù)中，屏幕左下方會快速閃現(xiàn)兩次傾斜角度略有差異的圖形，此后被試需要通過按鍵報(bào)告第二次呈現(xiàn)圖形相對于第一次呈現(xiàn)圖形的傾斜角度為逆時針還是順時針，如圖1(A)所示。通過控制圖形之間傾斜角度的差異來控制任務(wù)難度，若受試者能在更小傾斜角度時仍能準(zhǔn)確辨別圖形之間的差異，則其精細(xì)知覺能力越強(qiáng)。在這項(xiàng)研究中，受試者先完成一次訓(xùn)練前基線測試；此后再進(jìn)行為期5天的朝向辨別訓(xùn)練，在執(zhí)行操作任務(wù)時接受不同條件的tACS；最后再完成一次測試以評估訓(xùn)練效果，實(shí)驗(yàn)流程如圖1(B)。電刺激設(shè)置方案如圖1(C)所示。

首先，研究者發(fā)現(xiàn)當(dāng)受試者在執(zhí)行朝向辨別訓(xùn)練時，若視覺皮層接受10Hz tACS，相對于虛假電刺激條件，學(xué)習(xí)速率更快、行為表現(xiàn)提高幅度更大；若視覺皮層接受其他頻率的tACS（6Hz、20Hz和40Hz），則未觀測到前述促進(jìn)效應(yīng)，如圖3所示。這個結(jié)果表明施加在視覺皮層的10Hz tACS能夠以頻率特異性方式促進(jìn)視知覺學(xué)習(xí)。隨后，研究者發(fā)現(xiàn)如果10Hz tACS施加于大腦雙側(cè)感覺運(yùn)動皮層，則未觀測到前述促進(jìn)效應(yīng)（如圖4所示），排除了潛在間接因素對實(shí)驗(yàn)效應(yīng)造成的實(shí)質(zhì)性影響，這也表明10Hz以刺激位置特異性方式促進(jìn)視知覺學(xué)習(xí)。最后，研究者發(fā)現(xiàn)，朝向辨別能力增強(qiáng)效應(yīng)在訓(xùn)練結(jié)束后14個月依然穩(wěn)定保持，如圖5所示。


圖1.實(shí)驗(yàn)方法。


圖2.模擬電場。


圖3.主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果（一）。


圖4.主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果（二）。


圖5.主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果（三）。

本研究提示，alpha頻段神經(jīng)振蕩活動在知覺學(xué)習(xí)發(fā)生中發(fā)揮關(guān)鍵作用。以往研究發(fā)現(xiàn)alpha頻段神經(jīng)振蕩與跨皮層間的信息交流有關(guān)，負(fù)責(zé)自上而下的反饋投射；與此同時，在視知覺學(xué)習(xí)研究中，大量研究也發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)的發(fā)生受到來自負(fù)責(zé)注意和知覺決策等腦區(qū)的反饋投射的調(diào)節(jié)；因此，alpha頻段神經(jīng)振蕩可能是通過發(fā)揮征募注意或決策等相關(guān)腦區(qū)對視覺皮層的反饋投射作用從而調(diào)節(jié)視知覺學(xué)習(xí)。對于10 Hz tACS促進(jìn)視知覺學(xué)習(xí)的確切工作機(jī)制，課題組正在進(jìn)行探究。

本研究不僅有助于加深對視知覺學(xué)習(xí)神經(jīng)振蕩機(jī)制的理解，還將為應(yīng)用轉(zhuǎn)化提供參考，例如，加速恢復(fù)或提高弱視、偏盲、黃斑變性等病人的視覺功能。

課題組博士后何勍為本文第一作者，方方教授為本文通訊作者，博士生楊鑫躍在本研究中有重要貢獻(xiàn)，當(dāng)時在實(shí)驗(yàn)室輪轉(zhuǎn)的生命科學(xué)聯(lián)合中心博士生龔寶琦和畢可言在數(shù)據(jù)收集中亦做出重要貢獻(xiàn)。感謝王茜博士對稿件的評論和建議；感謝生命科學(xué)聯(lián)合中心博士生蔡瑞玲在數(shù)據(jù)收集中的幫助；感謝博士后陳璐瑤在電場模擬中的幫助。

本研究得到國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（31930053）和北京智源人工智能研究院的支持。

He, Q., Yang, X.-Y., Gong, B., Bi, K., & Fang, F. Boosting visual perceptual learning by transcranial alternating current stimulation over the visual cortex at alpha frequency. Brain Stimulation, DOI: 10.1016/j.brs.2022.02.018 https://www.brainstimjrnl.com/article/S1935-861X(22)00047-X/fulltext

2022-03-15