经颅直流电刺激提高记忆功能

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1、心理科学进展 2016, Vol. 24, No. 3, 356366 Advances in Psychological Science DOI: 10.3724/SP.J.1042.2016.00356 356 研究前沿(Regular Articles) 经颅直流电刺激提高记忆功能* 郭 恒 1 何 莉1 周仁来2 (1北京师范大学心理学院应用实验心理北京市重点实验室, 北京 100875) (2南京大学社会学院心理学系, 南京 210023) 摘 要 经颅直流电刺激是最近复兴的非侵入性无创脑刺激方法, 具有轻便、廉价、较为安全的特点。经颅 直流电刺激能产生一系列生理变化, 相比传统脑成

2、像方法具有优势, 在工作记忆、陈述性记忆、程序性记忆上 已有应用, 可与传统认知训练相结合。 经颅直流电刺激虽然不能进行精确定位, 但是能够基于脑区影响个体认 知加工过程。 经颅直流电刺激在临床上可以作为治疗手段, 对健康人可以作为神经训练的方法, 在心理学领域 具有良好的研究前景。 关键词 经颅直流电刺激; 记忆; 工作记忆 分类号 B845; B842 1 经颅直流电刺激(tDCS) 1.1 tDCS 介绍 经颅直流电刺激(transcranial direct current stimulation, tDCS)是一种非侵入式、 无创性的脑刺 激方法, 是通过在头颅外施加微弱的电流来改变

3、 大脑皮层的活动性。随着经颅磁刺激在上世纪 90 年代得到广泛应用和关注, 受磁刺激的启发, 电 刺激方法再次进入人们的视野。21 世纪初, 德国 科学家 Nitsche 和 Paulus (2000)运用电刺激方法, 对初级运动皮层(M1)进行了可靠的控制, 该研究 的实验标准成为后来 tDCS 研究的范本, tDCS 作 为安全、 标准化的脑刺激方法成为近 10 年来认知 神经科学研究中的一个热点(Karim et al., 2010)。 tDCS是通过凝胶海绵电极在头颅外施加微 弱、持续性电流, 比较传统和常见的tDCS电极面积 在 25 cm2到 35 cm2之间(Hummel et

4、al., 2005), 9 cm2 及更小的电极片也被使用(Kirimoto et al., 2011; Fertonani, Ferrari, Guleyupoglu, Febles, Minhas, Hahn, Nitsche, Fricke et al., 2003)。tDCS 能够产生一系 列的生理学变化, 这些变化是 tDCS 产生效果的 生 理 基 础 。 磁 共 振 波 谱 (Magnetic resonance spectroscopy, MRS)的研究表明, 阳性 tDCS 刺激 可 以 提 高 谷 氨 酸 盐 (Glutamate) 和 谷 氨 酰 胺 (Glutamine

5、)的浓度(Clark, Coffman, Trumbo, Merzagora et al., 2010)。总体而言, tDCS 引起上述生理变化与长时 程抑制和长时程增强(long-term depression, LTD; Long-term potentiation, LTP)的调制机制相符合, 表明 tDCS 作为颅外无创电刺激, 与颅内电刺激 的生理变化相似。 tDCS 产生的影响不仅局限在受 电极刺激的小部分区域, 它的影响是网络级 (network-level)的。研究表明, 兴奋性的改变不仅 在刺激位置, 在相连接的脑区也受影响(Grefkes Nitsche Nitsche e

6、t al., 2008)。个体的头颅形状存在个体差异, 导致电流 分布可能不同, 从而产生误差。 2 tDCS 与工作记忆 工作记忆是人类认知活动的核心, 作为学习 的基础, 是一项基本的认知加工过程(赵鑫, 周仁 来, 2014)。 将 tDCS 用于研究工作记忆的刺激位置 主要在左侧 DLPFC, 工作记忆任务主要是 n-back (Boggio et al., 2006; Fregni et al., 2005; Ohn et al., 2008)。目前得到的主要结论是阳性 tDCS 能够提 高工作记忆测验的准确性, 但反应时不受影响。 早期 Fregni 等(2005)用阳性刺激、阴性

7、刺激分别 作用于左侧的 DLPFC, 也用阳性刺激作用于 M1。 15 名健康个体在接受 tDCS 的同时进行 3-back 字 母工作记忆测试。结果发现, 只有作用于左侧 DLPFC 的阳性刺激提高了 3-back 测试的准确性, 反应时没有改变, 阴性刺激和虚假刺激(对照组) 对反应时和准确率无影响, 表明电极极性和作用 位置都有重要作用。Ohn 等人(2008)考察了 tDCS 对 3-back 言语工作记忆产生的提高效果的持续时 间。tDCS 刺激 DLPFC, 分为阳性和虚假两种。15 名健康被试先接受其中一种刺激, 两周之后再次 接受另外一种。tDCS 电流强度为 1 mA, 持续

8、时 间 30 min, 实验前接受记忆测试测量基线水平, tDCS 刺激的 30 min 内, 每 10 min 测一次, 总计 3 次, 刺激结束休息 30 min 后再测一次 3-back。结 果表明, 在接受 tDCS刺激的 20 min后, 记忆测试 的准确率开始上升, 在刺激结束的 30 min 后依然 高于基线水平, 反应时无显著差异, 表明 tDCS 对 工作记忆的影响至少能保持30 min。 近年 Andrews, Hoy, Enticott, Daskalakis 和 Fitzgerald (2011)考察 了在接受 tDCS 刺激的同时进行认知活动, 是否 会增大工作记忆改

9、善的效果。刺激位置为左侧 DLPFC。实验分为 3 种情况：第一种为接受阳性 tDCS 同时进行 n-back 测试, 第二种为接受阳性 tDCS 同时放松休息, 第三种为虚假 tDCS 同时进 行 n-back 测试。N-back 测试为计算机化的字母工 作记忆测试, 包括 5 min 的 2-back 和 5 min 的 3-back。 被试在接受 tDCS 刺激的前后均进行数字 广度测试(digit span test), 包括正序和倒序两种。 结果表明, 相比接受阳性 tDCS 同时休息的被试, 接受阳性 tDCS 同时进行 n-back 测试的被试在正 序数字广度测试中表现的更好。表

10、明被动接收 tDCS 刺激的同时主动进行认知活动, 产生了增益 效果, 为近年脑刺激方法与认知训练方法结合提 供了依据。神经可塑性的改变可能是其中的机制 之一(Coffman et al., 2012)。Hill, Fitzgerald 和 Hoy (2015)进行了阳性 tDCS对工作记忆影响的元分析, 结果表明, 阳性 tDCS 对健康群体工作记忆任务 准确率有提高趋势, 反应时有显著提高, 并且对 临床患者也有效果。 tDCS 对工作记忆的改善效果已被用于临床 患者。 Boggio 等人(2006)考察了 tDCS 对帕金森患 者工作记忆的提高效果。18 名帕金森患者在接受 tDCS刺激

11、的同时进行 3-back工作记忆测试, 实验 分为 3 个条件： 对左侧 DLPFC 进行阳性 tDCS, 对 M1 区进行阳性 tDCS、虚假 tDCS。结果表明, 对 左侧 DLPFC 进行 2mA 阳性 tDCS 刺激的被试, 在 3-back 测试中的准确率有显著提高。同样, 运用 阳性 tDCS 作用于左侧 DLPFC, tDCS 可以改善中 风患者的工作记忆(Jo et al., 2009)。 应用于工作记忆的研究主要的刺激位置是左 侧 DLPFC, 也有刺激其他位置的情况。例如, 对 同一被试采用阳性tDCS刺激左DLPFC/右DLPFC 发现, 只有刺激右侧 DLPFC才能提高

12、视空间工作 记忆(Spatial working memory)的任务绩效(Giglia et al., 2014)。Wu 等人(2014)的研究发现, 阳性刺 激右侧 DLPFC 可以提高高任务难度下空间工作 记忆容量, 表明对右侧前额叶刺激可以提高空间 工作记忆。 Marshall, Mlle, Siebner 和 Born (2005) 对双侧前额叶进行刺激：被试进行 Sternberg 任务 的同时接受双侧前额叶皮层的 tDCS, 结果发现不 论阳性刺激左侧或右侧, 均降低了 Sternberg 任务 的反应时, 可能是由于 tDCS 干扰了额叶皮层对 反应选择和任务准备的加工。Ber

13、ryhill, Wencil, Coslett 和 Olson (2010)考察 tDCS 刺激后顶叶皮层 (posterior parietal cortex, PPC)对工作记忆的影响, 研究者对 11 位正常个体呈现视觉图片, 内容为基 第 3 期 郭 恒等: 经颅直流电刺激提高记忆功能 359 本的简单物体(比如猪、 表), 之后进行回忆和再认, 结果发现受到阴性 tDCS 刺激的被试再认成绩更 差。Ferrucci, Marceglia 等人(2008b)的研究刺激位 置选在小脑上, 发现刺激小脑使得基于练习的工 作记忆训练效果减弱。 近年工作记忆方面的研究不仅关注 tDCS 的 行

14、为学效应, 也考察其生理基础。一项研究运用 tDCS 改善工作记忆的同时也用 EEG 记录了电生 理 反 应 (Zaehle, Sandmann, Thorne, Jncke, (2)对左侧 IPS/SPL 进行阴性刺激, 对 IPL 进行阳性刺激, 与 上述(1)相反。结果表明, 对左侧顶内沟/后顶叶皮 层(L-IPS/SPL)进行阳性刺激, 并对右顶叶皮层 (IPL)进行阴性刺激的被试单词再认任务的成绩显 著高于极性相反的被试。Matzen, Trumbo, Leach 和 Leshikar (2015)选取健康个体进行面孔人名配 对学习, 并在学习的同时接受 tDCS (0.1 mA/2

15、 mA, F9), 结果表明, 在回忆任务中阳性刺激组(2 mA) 比虚假刺激组(0,1 mA)多回忆了 50%的名字, 并 且回忆错误更少, 但在再认任务中两组没有显著 差异, 这表明 tDCS 的效果可能受到记忆提取条 件的影响。 除了语义记忆以外, tDCS 也被用于考察对视 空间记忆的影响。Chi, Fregni 和 Snyder (2010)选 择前颞叶作为刺激区, tDCS刺激持续13 min, 有3 种不同的刺激情况：左侧阴性刺激右侧阳性刺激, 左侧阳性刺激右侧阴性刺激, 虚假刺激(控制组)。 结果表明只有接受左侧阴性刺激右侧阳性刺激的 被试才表现出视觉记忆水平的提高, 改善成绩

16、 110%。而接受相反极性刺激的被试成绩无变化。 Flel 等人(2012)考察 tDCS 对后顶叶刺激在外显 空间记忆上的效果。老年被试在接受 tDCS 刺激 右侧颞顶区域的同时进行视觉空间目标位置学 习。刺激并没有影响目标位置的学习过程, 但一 周之后记忆保持的更好了。虽然 tDCS 为何没有 直接改善学习过程还不太清楚, 但结果支持 tDCS 改变了学习的可塑性, 学习的巩固阶段得到了改 360 心 理 科 学 进 展 第 24 卷 善。Clark 等人(2012)进行了一项更贴近实际的研 究, 研究者模拟军事人员在城市作战的条件, 让 被试在计算机化的视觉环境里寻找隐蔽目标。实 验中侦

17、察任务一共一小时, 前 30 min 阳性 tDCS 持续刺激, 被试被要求寻找具有威胁的隐蔽目标, 比如枪支或者刀。分别单独刺激右侧额下皮层和 右侧后顶叶皮层, 结果表明, 刺激显著增强了查 找目标的能力, 在刺激结束的 30 min 后也有效。 并且这种改善不管是重复情景还是新异情景都有 效(Coffman et al., 2012), 甚至在刺激结束的 24 小时 之后也有效(Falcone, Coffman, Clark, Nelson, McKinley, Golob, Warm, Ferrucci, Mameli等人(2008)采用tDCS对阿 尔茨海默病患者颞顶区进行刺激, 结果

18、发现阳性 刺激能够提高纸笔单词再认任务成绩, 阴性刺激 会让再认成绩下降; Boggio 等人(2012)采用 tDCS 对阿尔茨海默病患者进行了 5 天的刺激, 每天 30 min, 结果表明患者的视觉再认记忆测试成绩上 升, 并且这一效果可以持续 4 周之多; 针对学业 不良和精神发育迟滞儿童的长达数周的 tDCS 能 够提高儿童的言语记忆与视空间功能(Pinchuk, Vasserman, Sirbiladze, HE Li1; ZHOU Renlai2 (1 Beijing Key Laboratory of Applied Experimental Psychology, Schoo

19、l of Psychology, Beijing Normal University, Beijing 100875, China) (2 Department of Psychology, School of Social and Behavior Sciences, Nanjing University, Nanjing 210023, China) Abstract: Transcranial direct current stimulation revived in last years as non-invasive method of brain stimulation with

20、features of safety, low-cost, lightweight. Transcranial direct current stimulation can produce a series of physiological changes, and has advantages compared to the traditional method of brain imaging. There were some applications in fields of working memory, declarative memory, procedural memory an

21、d combining tDCS with the cognitive training. tDCS can not pinpoint, but can affect cognitive processes of perception, attention, memory based on brain region. Not only tDCS can be used as a treatment in clinical practice, but also used as neural training methods for healthy people. tDCS has good prospects. Key words: transcranial direct current stimulation; memory; working memory