近日，北京大學(xué)心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院、麥戈文腦科學(xué)研究所、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心方方課題組在神經(jīng)調(diào)控領(lǐng)域頂級(jí)期刊Brain Stimulation（IF = 8.955，中科院一區(qū)）發(fā)表題為“Transcranial direct current stimulation over the visual cortex facilitates awake consolidation of visual perceptual learning”的研究論文，該研究首次發(fā)現(xiàn)在訓(xùn)練后清醒階段對(duì)視覺(jué)皮層施加陽(yáng)極經(jīng)顱直流電刺激（transcranial direct current stimulation）可以促進(jìn)視知覺(jué)學(xué)習(xí)的鞏固。

人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)即使在發(fā)育成熟后，仍然具有很強(qiáng)可塑性。視覺(jué)功能可以在訓(xùn)練等視覺(jué)經(jīng)驗(yàn)的作用下得到增強(qiáng)，即視知覺(jué)學(xué)習(xí)。例如，有經(jīng)驗(yàn)的影像科醫(yī)生能夠快速地識(shí)別出醫(yī)學(xué)圖像中的病灶區(qū)。視知覺(jué)學(xué)習(xí)反映了視覺(jué)系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)依賴(lài)型神經(jīng)可塑性，為無(wú)創(chuàng)地研究視覺(jué)神經(jīng)可塑性提供良好的范式。訓(xùn)練后的鞏固是視知覺(jué)學(xué)習(xí)發(fā)生的關(guān)鍵過(guò)程，它可以發(fā)生在訓(xùn)練后清醒期和睡眠期。以往的研究主要關(guān)注睡眠在知覺(jué)學(xué)習(xí)鞏固中的作用，而對(duì)訓(xùn)練后清醒期在知覺(jué)學(xué)習(xí)鞏固中的作用知之甚少。有研究發(fā)現(xiàn)，在訓(xùn)練后清醒期抑制視覺(jué)皮層的活動(dòng)，會(huì)干擾知覺(jué)學(xué)習(xí)效應(yīng)；但是，迄今為止，尚不清楚在訓(xùn)練后清醒期增強(qiáng)視覺(jué)皮層的活動(dòng)是否會(huì)有助于增強(qiáng)視知覺(jué)學(xué)習(xí)效應(yīng)。為此，方方課題組采用非傾入性神經(jīng)調(diào)控技術(shù)結(jié)合心理物理學(xué)和計(jì)算建模方法對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了探究。

在這項(xiàng)研究中，方方課題組采用在視知覺(jué)學(xué)習(xí)鞏固研究中廣泛使用的紋理辨別任務(wù)（texture discrimination task）作為主要實(shí)驗(yàn)任務(wù)。在紋理辨別任務(wù)中，目標(biāo)刺激消失后，在屏幕上會(huì)快速呈現(xiàn)掩蔽刺激（mask），此后被試需要報(bào)告呈現(xiàn)在屏幕中央的字母和外周視野目標(biāo)圖案的傾斜角度，如圖1A所示。通過(guò)控制掩蔽刺激與目標(biāo)刺激之間的間隔時(shí)間（stimulus onset asynchrony，以下簡(jiǎn)稱(chēng)SOA）來(lái)控制任務(wù)難度，SOA越短，則任務(wù)越難；反復(fù)訓(xùn)練則可以降低正確執(zhí)行操作任務(wù)所需SOA。以往的研究證實(shí)，紋理辨別任務(wù)訓(xùn)練后，若被試有睡眠，再次測(cè)試時(shí)，則SOA會(huì)繼續(xù)降低，出現(xiàn)線下增益現(xiàn)象（offline gain）；若被試一直保持清醒，則不會(huì)出現(xiàn)線下增益。同時(shí)，在這項(xiàng)研究中，研究者以經(jīng)顱直流電刺激技術(shù)為核心神經(jīng)調(diào)控技術(shù)。理論上，經(jīng)顱直流電刺激技術(shù)能夠以極性特異性方式快速改變大腦皮層興奮性，陽(yáng)極經(jīng)顱直流電刺激可以誘發(fā)長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)效應(yīng)，為解決本研究中所關(guān)心的問(wèn)題提供良好的方法支持。

在正式實(shí)驗(yàn)中，隨機(jī)分配被試至真實(shí)電刺激組（active）或虛假電刺激組（sham）。被試在早晨8:30進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室完成8組紋理辨別訓(xùn)練；訓(xùn)練甫一結(jié)束，被試立即接受施加于視覺(jué)皮層的陽(yáng)極經(jīng)顱直流電刺激（德國(guó)NeuroConn公司DC-stimulator電刺激儀，電刺激位置如圖1C所示），真實(shí)電刺激組和虛假電刺激組接受電刺激的時(shí)長(zhǎng)分別為25分鐘和15秒（電刺激時(shí)長(zhǎng)如圖1D所示）；此后，被試一直保持清醒，在夜間8:30完成4組測(cè)試。實(shí)驗(yàn)流程如圖1B所示。

研究結(jié)果顯示，接受真實(shí)電刺激的被試在夜間測(cè)試時(shí)，其紋理辨別任務(wù)正確率相對(duì)于電刺激前有顯著提高（圖2B紅色圖）；若轉(zhuǎn)化為閾值，則測(cè)試階段閾值相對(duì)于電刺激前顯著降低（圖2C紅色圖），且閾值降低幅度顯著大于零（圖2D紅色圖），表明出現(xiàn)線下增益。然而，接受虛假電刺激的被試，其行為學(xué)表現(xiàn)并未有顯著改變（圖2B、圖2C和圖2D黑色圖），表明未出現(xiàn)線下增益。上述結(jié)果表明作用于視覺(jué)皮層的陽(yáng)極經(jīng)顱直流電刺激對(duì)知覺(jué)學(xué)習(xí)早期清醒期的鞏固有促進(jìn)作用。


圖1.實(shí)驗(yàn)方法。

此外，經(jīng)顱直流電刺激對(duì)知覺(jué)學(xué)習(xí)早期清醒期的促進(jìn)作用還受到睡眠質(zhì)量的調(diào)節(jié)。利用聚類(lèi)分析方法，按照匹茲堡睡眠質(zhì)量量表的得分，將被試化分為睡眠質(zhì)量較優(yōu)組（BS）和較差組（WS）。進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)分析顯示（如圖2E所示），睡眠質(zhì)量較優(yōu)的被試在接受陽(yáng)極經(jīng)顱直流電刺激后行為表現(xiàn)獲得顯著改善；而睡眠質(zhì)量較差的被試即使接受陽(yáng)極經(jīng)顱直流電刺激，其行為績(jī)效也沒(méi)有表現(xiàn)出顯著進(jìn)步。

本研究提示，在訓(xùn)練結(jié)束后存在“清醒鞏固”過(guò)程，調(diào)節(jié)該過(guò)程中的皮層興奮性對(duì)于知覺(jué)學(xué)習(xí)的發(fā)生具有獨(dú)特意義。訓(xùn)練甫一結(jié)束，在該時(shí)間窗口期內(nèi)，參與處理訓(xùn)練任務(wù)的相關(guān)視覺(jué)皮層神經(jīng)環(huán)路處于一種興奮的不穩(wěn)定狀態(tài)。施加于視覺(jué)皮層的陽(yáng)極經(jīng)顱直流電刺激通過(guò)降低伽馬-氨基丁酸能（GABA）神經(jīng)遞質(zhì)的濃度從而提高興奮/抑制性比（E/I ratio），使得電刺激目標(biāo)區(qū)域的皮層興奮性水平整體得到提高。確切的工作機(jī)制，仍需進(jìn)一步研究以確定。本研究將為特殊應(yīng)用場(chǎng)景中視覺(jué)功能增強(qiáng)提供新策略，例如，臨床康復(fù)和體育訓(xùn)練。


圖2.主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

方方課題組博士生楊鑫躍與博士后何勍為本文第一作者，方方教授為本文通訊作者。

本研究得到國(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。

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

2022-03-15