振荡性经颅电刺激与光幻视感知的定量特征研究

背景介绍

光幻视（phosphene）是指在没有任何外部视觉刺激的情况下，人们感知到光点的现象。这种现象在视觉神经科学和意识研究中具有重要意义，因为它可以帮助我们理解大脑如何将神经活动与感知内容联系起来。过去的研究表明，通过直接电刺激视觉皮层或应用经颅磁刺激（TMS）可以诱导光幻视。近年来，经颅交流电刺激（transcranial alternating current stimulation, TACS）也被证明能够引发光幻视，但其背后的机制尚不明确。TACS涉及电场的节律性变化和极性的交替（兴奋与抑制相），这使得光幻视感知的精确机制难以厘清。

为了区分电场节律性变化和极性交替对光幻视感知的影响，本研究采用了振荡性经颅直流电刺激（oscillatory transcranial direct current stimulation, oTDCS）。与TACS不同，oTDCS的电流振荡仅限于单一极性（正极或负极），从而消除了极性切换的影响。通过比较TACS和oTDCS对光幻视感知的影响，本研究旨在揭示电流振荡在光幻视感知中的作用，并探讨振幅调制（amplitude modulation, AM）频率对光幻视感知的影响。

论文来源

本论文由Che-Yi Hsu、Tzu-Ling Liu和Chi-Hung Juan共同撰写，他们分别来自台湾国立中央大学的认知神经科学研究所和认知智能与精准健康研究中心。论文于2025年发表在European Journal of Neuroscience期刊上，题为《Oscillatory transcranial electrical stimulation and the amplitude-modulated frequency dictate the quantitative features of phosphenes》。

研究流程与实验设计

1. 实验对象与设计

本研究招募了37名视力正常或矫正至正常的参与者，排除了有神经系统疾病或癫痫病史的个体。最终，25名参与者（13名男性，12名女性，年龄20至45岁）完成了实验。实验采用被试内设计，每位参与者需在实验室进行三次访问，每次间隔一周。每次访问中，参与者接受单一极性的刺激（阳极oTDCS、阴极oTDCS或TACS），并在四个刺激块中进行测试：阈值水平的正弦波（18 Hz）、阈值水平的AM波（2 Hz调制的18 Hz）、超阈值正弦波和超阈值AM波。

2. 实验设备与刺激参数

实验在一个光线昏暗的房间中进行，参与者坐在距离24英寸LCD显示器60厘米的位置。刺激通过128通道的弹性帽（Geodesic Transcranial Electrical Neuromodulation, GTEN）施加，选择后部20个电极进行电流输送。oTDCS的刺激强度范围为0至2000 μA，TACS的刺激强度为-1000至1000 μA的正弦波或AM波形。

3. 实验流程

在每个条件下，初始测试强度设置为设备的最大输出2000 μA。如果参与者在此强度下无法感知光幻视，则被排除在实验之外。阈值强度通过改进的二分搜索法（Modified Binary Search, MOBS）确定，超阈值强度设置为阈值的120%。正式实验包括阈值和超阈值强度，每个条件下进行10次试验。每次试验中，参与者接受5秒的刺激，并在感知到光幻视时按下空格键记录反应时间。随后，参与者使用鼠标在屏幕上绘制光幻视的图案，并在刺激结束后报告亮度、闪烁频率和信心水平。

主要结果

1. 阈值强度

研究发现，AM刺激的光幻视阈值显著高于正弦波刺激（1284.33 ± 86.78 μA vs. 1079.47 ± 42.62 μA）。然而，极性（阳极oTDCS、阴极oTDCS和TACS）对阈值没有显著影响。

2. 反应时间

反应时间受刺激极性、AM条件和强度的影响。TACS的反应时间显著快于阴极oTDCS，但与阳极oTDCS无显著差异。正弦波刺激的反应时间显著快于AM刺激，超阈值强度的反应时间也显著快于阈值强度。

3. 亮度评分

阳极oTDCS诱导的光幻视亮度显著高于阴极oTDCS和TACS。超阈值强度的亮度评分也显著高于阈值强度。

4. 闪烁频率评分

AM条件下的闪烁频率评分显著低于正弦波条件。超阈值强度仅在阳极AM oTDCS条件下显著提高了闪烁频率评分。

5. 信心水平

超阈值强度的信心水平显著高于阈值强度，特别是在阳极AM oTDCS和TACS的正弦波条件下。

6. 光幻视大小

正弦波刺激诱导的光幻视面积显著大于AM刺激，超阈值强度的光幻视面积也显著大于阈值强度。

结论与意义

此研究表明，振荡性电刺激（无论是TACS还是oTDCS）都能有效诱导光幻视感知。电流振荡是光幻视生成的关键因素，而极性则影响光幻视的感知质量（如亮度和反应时间）。此外，AM频率在光幻视闪烁频率感知中起主导作用，且与载波频率无关。这些发现揭示了神经振荡在视觉感知中的重要作用，并为未来的视觉假体技术研究提供了新的思路。

研究亮点

1. 创新性实验设计：通过比较TACS和oTDCS，本研究成功区分了电场节律性变化和极性交替对光幻视感知的影响。
2. AM频率的主导作用：研究发现AM频率在光幻视闪烁频率感知中起主导作用，这为理解视觉感知中的时间频率编码提供了新的视角。
3. 极性对感知质量的影响：阳极oTDCS诱导的光幻视亮度显著高于阴极oTDCS和TACS，表明极性可以独立于阈值强度影响光幻视的感知质量。

其他有价值的信息

此研究的局限性包括试验次数较少和实验设计的块状结构可能导致的预测性判断。未来的研究可以通过增加试验次数和采用交错试验设计来提高结果的稳健性。此外，研究还建议在未来的光幻视研究中避免使用高对比度的注视点，以减少对光幻视感知的干扰。

通过此研究，我们不仅加深了对光幻视感知机制的理解，还为开发基于神经振荡的视觉假体技术提供了重要的理论支持。