脑刺激:通过无创神经调节技术增强人类视觉学习能力和视觉皮层可塑性

来源：北京大学2022-04-05 10336038

最近北京大学心理与认知科学学院方方课题组在神经调节领域的顶级期刊。

近日，北京大学心理与认知科学学院方方课题组在神经调节领域顶级期刊《脑刺激》上发表研究论文，发现经颅电刺激可以有效提高视知觉的学习效率。

可塑性一直是神经科学的研究热点之一。根据传统观点，个体的视觉系统在出生后有一个发展的关键期。在此期间，视觉系统具有高度的可塑性。随着发展，视觉系统的结构越来越成熟，功能越来越完善。这一时期的异常发育会对视觉系统的结构和功能造成不可逆的损害，导致神经眼科疾病的发生，如弱视。过了关键期，视觉系统的结构和功能就稳定了。近年来，越来越多的证据表明，视觉系统不是静态的，仍然具有高度可塑性，视知觉学习就是一个典型的例子。

视知觉学习(Visual perception learning)是指通过反复练习和其他视觉体验，视觉功能得到极大提高的现象，可以通过判断准确率的提高、反应时的缩短、行为中阈值的降低等指标反映出来。视知觉学习涵盖的范围很广。目前已知，从视觉刺激的最基本属性(如方位、对比度、运动方向等)来看，几乎所有视觉任务的表现都可以在反复练习后得到显著提高。)到复杂物体(如人脸、物体、自然场景等。).另外，知觉学习效果具有长期稳定性。例如，一项跟踪研究表明，一次训练后增强的知觉辨别能力可以稳定保持至少3年。视知觉学习不仅为经验依赖型神经可塑性的无创研究提供了极好的范式，也为恢复神经眼科患者的视觉功能提供了可行的策略。目前，大量的临床相关研究已经应用视知觉学习原理来恢复或改善低视力患者的视功能，如弱视、偏盲、黄斑变性等。到目前为止，研究者已经对知觉学习的特点进行了广泛的研究；同时，结合神经生理学技术和无创神经影像技术，对知觉学习的皮层位置和形式进行了大量的研究。然而，以往的研究仍有许多空白。一方面，神经振荡是实现正常认知功能的前提之一，而关于视知觉学习中神经振荡机制的研究很少，结果也不一致。另一方面，巩固期是视知觉学习的关键阶段。以往的研究侧重于探索睡眠在巩固视知觉学习中的作用，但对清醒期巩固在视知觉学习中的作用知之甚少。

同时，时尚的无创神经调节技术可以快速改变大脑神经活动，并且由于其安全性高、操作简单、成本低廉，在基础神经病学、康复和认知增强等领域得到了广泛应用。经颅电刺激是无创神经调节技术的突出代表。经颅电刺激包括多种类型，其中经颅交流电刺激(tACS)和经颅直流电刺激(tDCS)是应用最广泛的两种技术。不同类型的经颅电刺激通过不同的工作机制在调节大脑神经活动中发挥作用：tACS技术以频谱特异性的方式增强大脑内源性神经振荡，而tDCS技术通过改变目标脑区兴奋性或抑制性神经递质的浓度来改变大脑皮层兴奋性。这两种经颅电刺激技术为回答上述问题提供了良好的方法论支持。因此，方方的研究小组使用不同类型的经颅电刺激技术

为了确定主导视知觉学习的内在神经振荡频率，方方研究组在方位辨别任务中，将不同频率的tACS应用于视皮层(如图2所示)，然后通过诱导脑内内在神经振荡活动的变化来调节视知觉学习。研究小组发现，将10HztACS应用于视觉皮层，可以加速学习过程，并大大提高受试者的知觉辨别能力。如果将其他频率的tACS作用于视皮层，则不会观察到前述的促进效应，这表明tACS以频率特异性的方式促进视知觉学习，结果如图3(A)所示。为了消除潜在间接因素对实验结果的实质性影响，研究组的研究人员在受试者执行视觉任务时，对感觉运动皮层施加10Hz的tACS。结果表明，在这种条件下，tACS不能起到促进视知觉学习的作用。结果如图3(B)所示，表明10Hz的tACS只有作用于视皮层才能起到促进视知觉学习的作用。从上面可以看出，tACS以频率和位置特定的方式促进视知觉学习。最后，课题组还发现，学习效果可以稳定维持至少14个月，如图3(C)所示。这项研究表明，阿尔法频带(8-12Hz)的神经振荡在视觉感知学习的发生中起着关键作用。

图一。模拟电场

为了探索训练后早期巩固阶段皮层兴奋性对视知觉学习的调节作用，在另一项研究中，课题组采用了视知觉学习巩固研究中广泛使用的纹理辨别任务作为实验任务。完成纹理辨别任务的训练后，立即将阳极tDCS(如图4所示)施加到视皮层，即使没有后续训练，知觉辨别能力也能进一步提高，出现离线增益现象；如果对视皮层施加错误的电刺激，将不会观察到离线增益的现象，结果如图5所示。这说明在训练后的早期清醒巩固阶段，增强视皮层的兴奋性有助于增强视知觉的学习效果。

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