近日，北京大學(xué)心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院方方課題組在神經(jīng)調(diào)控領(lǐng)域頂級(jí)期刊Brain Stimulation連續(xù)發(fā)表研究論文，發(fā)現(xiàn)經(jīng)顱電刺激技術(shù)可以有效提升視知覺學(xué)習(xí)效能。

可塑性一直是神經(jīng)科學(xué)的熱門研究主題之一。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，個(gè)體在出生后其視覺系統(tǒng)存在發(fā)育的關(guān)鍵期，在該時(shí)期內(nèi)，視覺系統(tǒng)具有高度可塑性，隨著發(fā)育，視覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)日臻成熟、功能日趨完備。該時(shí)期內(nèi)的發(fā)育異常會(huì)造成視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的不可逆性損傷，導(dǎo)致神經(jīng)眼科疾病的發(fā)生，如弱視。關(guān)鍵期之后，視覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)固化。近些年，越來越多的證據(jù)表明視覺系統(tǒng)在發(fā)育成熟后，并非一成不變，而是依然具有高度可塑性，視知覺學(xué)習(xí)便是其中的典型例子。

視知覺學(xué)習(xí)是指視覺功能在反復(fù)練習(xí)等視覺經(jīng)驗(yàn)的作用下得到大幅度提升的現(xiàn)象，在行為學(xué)上可以通過判斷正確率的升高、反應(yīng)時(shí)間的縮短和閾值的降低等指標(biāo)來反映。視知覺學(xué)習(xí)現(xiàn)象涵蓋范圍廣泛，目前已知幾乎所有視覺任務(wù)的表現(xiàn)均可在反復(fù)練習(xí)后得到顯著提高，從視覺刺激最基本的屬性（如朝向、對(duì)比度、運(yùn)動(dòng)方向等）到復(fù)雜客體（如面孔、物體、自然場(chǎng)景等）。此外，知覺學(xué)習(xí)效應(yīng)具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性，例如有追蹤研究顯示，一次訓(xùn)練后增強(qiáng)的知覺辨別能力可穩(wěn)定維持至少3年。視知覺學(xué)習(xí)不僅為無創(chuàng)地研究經(jīng)驗(yàn)依賴型神經(jīng)可塑性提供優(yōu)良范式，還為恢復(fù)神經(jīng)眼科病人的視覺功能提供可行策略，目前已有大量臨床相關(guān)研究將視知覺學(xué)習(xí)原理應(yīng)用于恢復(fù)或提高低視力患者的視覺功能，如弱視、偏盲、黃斑變性等。迄今為止，研究者對(duì)知覺學(xué)習(xí)的特性進(jìn)行了廣泛研究；同時(shí)，結(jié)合神經(jīng)電生理學(xué)技術(shù)和無創(chuàng)神經(jīng)影像技術(shù)，對(duì)知覺學(xué)習(xí)發(fā)生的皮層位置和形式進(jìn)行了大量研究。然而，既往的研究仍存在諸多空白。一方面，神經(jīng)振蕩活動(dòng)是實(shí)現(xiàn)正常認(rèn)知功能的先決條件之一，而關(guān)于視知覺學(xué)習(xí)發(fā)生的神經(jīng)振蕩機(jī)制，研究開展得少且結(jié)果不一致。另一方面，鞏固期作為視知覺學(xué)習(xí)發(fā)生的關(guān)鍵階段，既往的研究集中于探究睡眠在鞏固視知覺學(xué)習(xí)中的作用，而對(duì)于清醒時(shí)期的鞏固在視知覺學(xué)習(xí)發(fā)生中的作用知之甚少。

與此同時(shí)，時(shí)興的無創(chuàng)神經(jīng)調(diào)控技術(shù)能夠快速地改變大腦神經(jīng)活動(dòng)，且因其具有安全性高、操作簡(jiǎn)易、成本低等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)神經(jīng)學(xué)科、康復(fù)治療和認(rèn)知增強(qiáng)等領(lǐng)域。經(jīng)顱電刺激技術(shù)是無創(chuàng)神經(jīng)調(diào)控技術(shù)中的突出代表。經(jīng)顱電刺激技術(shù)包含多種類型，其中，經(jīng)顱交流電刺激（transcranial alternating current stimulation，以下簡(jiǎn)稱tACS）技術(shù)和經(jīng)顱直流電刺激（transcranial direct current stimulation，以下簡(jiǎn)稱tDCS）技術(shù)是應(yīng)用最為廣泛的兩種。不同類型的經(jīng)顱電刺激技術(shù)通過不同工作機(jī)理發(fā)揮調(diào)控大腦神經(jīng)活動(dòng)的作用：tACS技術(shù)以頻譜特異性方式增強(qiáng)大腦內(nèi)源性神經(jīng)振蕩活動(dòng)，而tDCS技術(shù)通過改變目標(biāo)腦區(qū)興奮性或抑制性神經(jīng)遞質(zhì)的濃度從而改變大腦皮層興奮性。這兩類經(jīng)顱電刺激技術(shù)為回答上述問題提供良好的方法支持。因此，方方課題組采用不同類型的經(jīng)顱電刺激技術(shù)在視知覺學(xué)習(xí)的不同階段對(duì)視知覺學(xué)習(xí)進(jìn)行調(diào)控。

為了確定主導(dǎo)視知覺學(xué)習(xí)的內(nèi)在神經(jīng)振蕩頻率，方方課題組在執(zhí)行朝向辨別任務(wù)的過程中（如圖2所示），向視覺皮層施加不同頻率的tACS，通過引發(fā)大腦內(nèi)在神經(jīng)振蕩活動(dòng)的改變，進(jìn)而調(diào)控視知覺學(xué)習(xí)。課題組發(fā)現(xiàn)，向視覺皮層施加10HztACS能夠加速學(xué)習(xí)進(jìn)程、更大幅度提升受試者的知覺辨別能力;若向視覺皮層施加其他頻率的tACS,則不會(huì)觀測(cè)上到前述促進(jìn)效應(yīng)，這表明tACS以頻率特異性方式促進(jìn)視知覺學(xué)習(xí)，結(jié)果如圖3（A）所示。為了排除潛在的間接因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的實(shí)質(zhì)性影響，課題組研究者在受試者執(zhí)行視覺任務(wù)時(shí)，向其感覺運(yùn)動(dòng)皮層施加10Hz tACS，結(jié)果顯示這種情況下，tACS無法發(fā)揮促進(jìn)視知覺學(xué)習(xí)的作用，結(jié)果如圖3（B）所示，這表明10Hz tACS只有作用于視覺皮層才會(huì)發(fā)揮促進(jìn)視知覺學(xué)習(xí)的作用。由上可見，tACS以頻率和位置特異性方式促進(jìn)視知覺學(xué)習(xí)。最后，課題組還發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)效應(yīng)可以至少穩(wěn)定維持14個(gè)月，如圖3（C）所示。該研究提示，alpha頻段(8-12Hz)的神經(jīng)振蕩活動(dòng)在視知覺學(xué)習(xí)的發(fā)生中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

圖1. 模擬電場(chǎng)

圖2. 經(jīng)顱交流電刺激實(shí)驗(yàn)流程

圖3. 經(jīng)顱交流電刺激實(shí)驗(yàn)主要結(jié)果

為了探究在訓(xùn)練后早期鞏固階段，改變皮層興奮性對(duì)視知覺學(xué)習(xí)的調(diào)控作用，在另一項(xiàng)研究中，課題組采用在視知覺學(xué)習(xí)鞏固研究中廣泛使用的紋理辨別任務(wù)作為實(shí)驗(yàn)任務(wù)。在完成紋理辨別任務(wù)訓(xùn)練后，立即向視覺皮層施加能夠快速提高皮層興奮性的陽(yáng)極tDCS（如圖4所示），即使無后續(xù)訓(xùn)練，知覺辨別能力也可以得到進(jìn)一步提升，出現(xiàn)線下增益現(xiàn)象；若向視覺皮層施加虛假電刺激，則不會(huì)觀測(cè)到線下增益現(xiàn)象，結(jié)果如圖5所示。這表明在訓(xùn)練結(jié)束后的早期清醒鞏固階段，增強(qiáng)視覺皮層興奮性有助于增強(qiáng)視知覺學(xué)習(xí)效應(yīng)。

圖4. 經(jīng)顱直流電刺激主要實(shí)驗(yàn)流程

圖5. 經(jīng)顱直流電刺激實(shí)驗(yàn)主要結(jié)果

這些研究將有助于理解視知覺學(xué)習(xí)發(fā)生和鞏固的神經(jīng)機(jī)制，同時(shí)也為特殊應(yīng)用場(chǎng)景中視覺功能增強(qiáng)提供新策略，例如臨床康復(fù)、軍事作業(yè)和體育訓(xùn)練。

該系列研究得到國(guó)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。

論文信息：

He, Q., Yang, X.-Y., Gong, B., Bi, K., & Fang, F. (2022). 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

Yang, X. Y.#, He, Q.#, & Fang, F. (2022). Transcranial direct current stimulation over the visual cortex facilitates awake consolidation of visual perceptual learning. Brain Stimulation, 15(2), 380-382, DOI: 10.1016/j.brs.2022.01.019 (#co-first author)

來源：北京大學(xué)