单次跨频率双焦点tACS调节年轻健康人群和中风患者视觉运动网络活动的研究报告

学术背景与研究意义

在神经科学研究中，神经振荡在调控脑区内和脑区间的通讯中扮演着重要角色。长距离相位同步化为跨区域通讯提供了基础，并且在调节信息处理流以适应认知需求方面具有重要作用。例如，α频段（8-13 Hz）被发现与视觉和触觉整合任务表现的提升相关，而高α频段的同步化则可以减少反应时间（Lobier，Palva & Palva, 2018）。这种现象在视觉系统尤其明显，α（8-13 Hz）和ɣ（>40 Hz）振荡的动态耦合，即相位振幅耦合（PAC），在促进有效神经处理方面起到了关键作用（Canolty et al., 2006; van Kerkoerle et al., 2014）。为此，跨频率（alpha-gamma）的双焦点经颅交换电流刺激（tACS）可通过同步低频与高频信号来干预视觉运动路径上的信息流动。

然而，尽管跨频率tACS已被证明能够改变脑区间的通讯流动，研究其对行为表现的具体影响——例如视觉运动辨别任务中的表现——还不够深入。本研究的目的是验证单次跨频率双焦点tACS是否能够调节年轻健康人群和中风患者视觉运动网络中V1和MT区域之间的相位振幅耦合（PAC）及方向辨别任务的表现。

研究源与作者信息

本研究由Michele Bevilacqua、Sarah Feroldi、Fabienne Windel、Pauline Menoud、Roberto F. Salamanca-Giron、Sarah B. Zandvliet、Lisa Fleury、Friedhelm C. Hummel以及Estelle Raffin等人合作完成，分别来自以下机构：École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) Neuro-X Institute、Clinique Romande de Réadaptation (EPFL Valais)和University of Milano-Bicocca School of Medicine and Surgery。该论文发表在2024年的《Brain Stimulation》期刊上。

研究流程

实验对象与方法

研究招募了45名年轻健康参与者（年龄范围18-40岁，平均24.6岁，其中55%为女性），以及16名经历了视觉损伤的中风患者（年龄范围34-74岁，平均59.93岁，其中18.75%为女性）。健康参与者被随机分配到三组，分别接受了前向tACS (V1α-MTγ)、后向tACS (MTα-V1γ)或假治疗（sham tACS）。中风患者组则按交叉设计分成两组，在不同时间接受前向和后向tACS。

在实验期间，参与者进行方向辨别与整合任务（CDDI），任务要求参与者观察随机点阵刺激并报告点方向。为确保患者在测试中的视觉刺激位于盲区和健视野交界处，提前对患者进行心理物理映射。

双焦点tACS干预

tACS使用两个定制的中心环状电极，连接到两个NeuroConn DC Plus刺激器，这些刺激器同步工作，以便α波触发ɣ波。每次tACS约持续15分钟（健康参与者）到25分钟（中风患者），电流强度为3 mA，频率分别为事前定义的个体化α频率（8-12 Hz）和ɣ频率（30-45 Hz）。

EEG记录与分析

通过64通道系统记录静息状态EEG和任务期间的EEG活动。使用自定义Matlab脚本和MNE-Python工具对EEG数据进行预处理，包括滤波、重采样和独立成分分析（ICA）去除生理伪影等。

研究结果

健康参与者的PAC变化

前向tACS在早期（刺激后100-150 ms）成功调节了V1α-相位-MTɣ-振幅PAC的增加，而后向tACS和假治疗未引起显著变化。格兰杰因果分析（Granger Causality）显示前向tACS组V1至MT方向的输入在α/β频段显著增加。

中风患者的PAC变化

类似于健康组的结果，前向tACS在早期显著增加了V1α-相位-MTɣ-振幅PAC，但在后期（250 ms和350 ms）减少。后向tACS则在早期（100 ms后）使PAC减弱。

方向辨别任务表现的变化

尽管健康参与者在任务重复中表现显著改善（与tACS条件无关），但在中风患者组中，时间点间和tACS条件间均未显示显著差异，表明患者需要更多训练以观察到行为改善。本研究的tACS诱导的电生理变化未转化为显著的行为变化。

结论与意义

本研究表明单次跨频率双焦点tACS可在早期调节健康人和中风患者脑区间同步，但这些变化未在行为层面上转化为显著差异。提高效率可能需要长时间的训练或者精细调整tACS的时间与剂量，以适应脑内的内源振荡活动，从而更有效地改善行为表现。这为将来优化tACS应用和研究脑区间振荡动态提供了新的见解和方向。

在临床应用方面，本研究为视觉训练与同步反馈电刺激结合的康复训练提供了初步依据，特别是在视觉损伤恢复与提升方面具有潜在应用价值。