近日，北京大學心理與認知科學學院、麥戈文腦科學研究所、北大-清華生命科學聯(lián)合中心方方課題組在神經(jīng)調(diào)控領(lǐng)域頂級期刊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)在訓練后清醒階段對視覺皮層施加陽極經(jīng)顱直流電刺激（transcranial direct current stimulation）可以促進視知覺學習的鞏固。

人類視覺系統(tǒng)即使在發(fā)育成熟后，仍然具有很強可塑性。視覺功能可以在訓練等視覺經(jīng)驗的作用下得到增強，即視知覺學習。例如，有經(jīng)驗的影像科醫(yī)生能夠快速地識別出醫(yī)學圖像中的病灶區(qū)。視知覺學習反映了視覺系統(tǒng)經(jīng)驗依賴型神經(jīng)可塑性，為無創(chuàng)地研究視覺神經(jīng)可塑性提供良好的范式。訓練后的鞏固是視知覺學習發(fā)生的關(guān)鍵過程，它可以發(fā)生在訓練后清醒期和睡眠期。以往的研究主要關(guān)注睡眠在知覺學習鞏固中的作用，而對訓練后清醒期在知覺學習鞏固中的作用知之甚少。有研究發(fā)現(xiàn)，在訓練后清醒期抑制視覺皮層的活動，會干擾知覺學習效應(yīng)；但是，迄今為止，尚不清楚在訓練后清醒期增強視覺皮層的活動是否會有助于增強視知覺學習效應(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)合心理物理學和計算建模方法對該問題進行了探究。

在這項研究中，方方課題組采用在視知覺學習鞏固研究中廣泛使用的紋理辨別任務(wù)（texture discrimination task）作為主要實驗任務(wù)。在紋理辨別任務(wù)中，目標刺激消失后，在屏幕上會快速呈現(xiàn)掩蔽刺激（mask），此后被試需要報告呈現(xiàn)在屏幕中央的字母和外周視野目標圖案的傾斜角度，如圖1A所示。通過控制掩蔽刺激與目標刺激之間的間隔時間（stimulus onset asynchrony，以下簡稱SOA）來控制任務(wù)難度，SOA越短，則任務(wù)越難；反復訓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，紋理辨別任務(wù)訓練后，若被試有睡眠，再次測試時，則SOA會繼續(xù)降低，出現(xiàn)線下增益現(xiàn)象（offline gain）；若被試一直保持清醒，則不會出現(xiàn)線下增益。同時，在這項研究中，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，陽極經(jīng)顱直流電刺激可以誘發(fā)長時程增強效應(yīng)，為解決本研究中所關(guān)心的問題提供良好的方法支持。

在正式實驗中，隨機分配被試至真實電刺激組（active）或虛假電刺激組（sham）。被試在早晨8:30進入實驗室完成8組紋理辨別訓練；訓練甫一結(jié)束，被試立即接受施加于視覺皮層的陽極經(jīng)顱直流電刺激（德國NeuroConn公司DC-stimulator電刺激儀，電刺激位置如圖1C所示），真實電刺激組和虛假電刺激組接受電刺激的時長分別為25分鐘和15秒（電刺激時長如圖1D所示）；此后，被試一直保持清醒，在夜間8:30完成4組測試。實驗流程如圖1B所示。

研究結(jié)果顯示，接受真實電刺激的被試在夜間測試時，其紋理辨別任務(wù)正確率相對于電刺激前有顯著提高（圖2B紅色圖）；若轉(zhuǎn)化為閾值，則測試階段閾值相對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)果表明作用于視覺皮層的陽極經(jīng)顱直流電刺激對知覺學習早期清醒期的鞏固有促進作用。


圖1.實驗方法。

此外，經(jīng)顱直流電刺激對知覺學習早期清醒期的促進作用還受到睡眠質(zhì)量的調(diào)節(jié)。利用聚類分析方法，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）。進一步的統(tǒng)計分析顯示（如圖2E所示），睡眠質(zhì)量較優(yōu)的被試在接受陽極經(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極經(jīng)顱直流電刺激，其行為績效也沒有表現(xiàn)出顯著進步。

本研究提示，在訓練結(jié)束后存在“清醒鞏固”過程，調(diào)節(jié)該過程中的皮層興奮性對于知覺學習的發(fā)生具有獨特意義。訓練甫一結(jié)束，在該時間窗口期內(nèi)，參與處理訓練任務(wù)的相關(guān)視覺皮層神經(jīng)環(huán)路處于一種興奮的不穩(wěn)定狀態(tài)。施加于視覺皮層的陽極經(jīng)顱直流電刺激通過降低伽馬-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），使得電刺激目標區(qū)域的皮層興奮性水平整體得到提高。確切的工作機制，仍需進一步研究以確定。本研究將為特殊應(yīng)用場景中視覺功能增強提供新策略，例如，臨床康復和體育訓練。


圖2.主要實驗結(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。

本研究得到國家自然科學基金重點項目（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