近日，北京大學心理與認知科學學院方方課題組在神經(jīng)調(diào)控領域頂級期刊Brain Stimulation連續(xù)發(fā)表研究論文，發(fā)現(xiàn)經(jīng)顱電刺激技術(shù)可以有效提升視知覺學習效能。

可塑性一直是神經(jīng)科學的熱門研究主題之一。傳統(tǒng)觀點認為，個體在出生后其視覺系統(tǒng)存在發(fā)育的關鍵期，在該時期內(nèi)，視覺系統(tǒng)具有高度可塑性，隨著發(fā)育，視覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)日臻成熟、功能日趨完備。該時期內(nèi)的發(fā)育異常會造成視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的不可逆性損傷，導致神經(jīng)眼科疾病的發(fā)生，如弱視。關鍵期之后，視覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)固化。近些年，越來越多的證據(jù)表明視覺系統(tǒng)在發(fā)育成熟后，并非一成不變，而是依然具有高度可塑性，視知覺學習便是其中的典型例子。

視知覺學習是指視覺功能在反復練習等視覺經(jīng)驗的作用下得到大幅度提升的現(xiàn)象，在行為學上可以通過判斷正確率的升高、反應時間的縮短和閾值的降低等指標來反映。視知覺學習現(xiàn)象涵蓋范圍廣泛，目前已知幾乎所有視覺任務的表現(xiàn)均可在反復練習后得到顯著提高，從視覺刺激最基本的屬性（如朝向、對比度、運動方向等）到復雜客體（如面孔、物體、自然場景等）。此外，知覺學習效應具有長期穩(wěn)定性，例如有追蹤研究顯示，一次訓練后增強的知覺辨別能力可穩(wěn)定維持至少3年。視知覺學習不僅為無創(chuàng)地研究經(jīng)驗依賴型神經(jīng)可塑性提供優(yōu)良范式，還為恢復神經(jīng)眼科病人的視覺功能提供可行策略，目前已有大量臨床相關研究將視知覺學習原理應用于恢復或提高低視力患者的視覺功能，如弱視、偏盲、黃斑變性等。迄今為止，研究者對知覺學習的特性進行了廣泛研究；同時，結(jié)合神經(jīng)電生理學技術(shù)和無創(chuàng)神經(jīng)影像技術(shù)，對知覺學習發(fā)生的皮層位置和形式進行了大量研究。然而，既往的研究仍存在諸多空白。一方面，神經(jīng)振蕩活動是實現(xiàn)正常認知功能的先決條件之一，而關于視知覺學習發(fā)生的神經(jīng)振蕩機制，研究開展得少且結(jié)果不一致。另一方面，鞏固期作為視知覺學習發(fā)生的關鍵階段，既往的研究集中于探究睡眠在鞏固視知覺學習中的作用，而對于清醒時期的鞏固在視知覺學習發(fā)生中的作用知之甚少。

與此同時，時興的無創(chuàng)神經(jīng)調(diào)控技術(shù)能夠快速地改變大腦神經(jīng)活動，且因其具有安全性高、操作簡易、成本低等特點，已廣泛應用于基礎神經(jīng)學科、康復治療和認知增強等領域。經(jīng)顱電刺激技術(shù)是無創(chuàng)神經(jīng)調(diào)控技術(shù)中的突出代表。經(jīng)顱電刺激技術(shù)包含多種類型，其中，經(jīng)顱交流電刺激（transcranial alternating current stimulation，以下簡稱tACS）技術(shù)和經(jīng)顱直流電刺激（transcranial direct current stimulation，以下簡稱tDCS）技術(shù)是應用最為廣泛的兩種。不同類型的經(jīng)顱電刺激技術(shù)通過不同工作機理發(fā)揮調(diào)控大腦神經(jīng)活動的作用：tACS技術(shù)以頻譜特異性方式增強大腦內(nèi)源性神經(jīng)振蕩活動，而tDCS技術(shù)通過改變目標腦區(qū)興奮性或抑制性神經(jīng)遞質(zhì)的濃度從而改變大腦皮層興奮性。這兩類經(jīng)顱電刺激技術(shù)為回答上述問題提供良好的方法支持。因此，方方課題組采用不同類型的經(jīng)顱電刺激技術(shù)在視知覺學習的不同階段對視知覺學習進行調(diào)控。

為了確定主導視知覺學習的內(nèi)在神經(jīng)振蕩頻率，方方課題組在執(zhí)行朝向辨別任務的過程中（如圖2所示），向視覺皮層施加不同頻率的tACS，通過引發(fā)大腦內(nèi)在神經(jīng)振蕩活動的改變，進而調(diào)控視知覺學習。課題組發(fā)現(xiàn)，向視覺皮層施加10HztACS能夠加速學習進程、更大幅度提升受試者的知覺辨別能力;若向視覺皮層施加其他頻率的tACS,則不會觀測上到前述促進效應，這表明tACS以頻率特異性方式促進視知覺學習，結(jié)果如圖3（A）所示。為了排除潛在的間接因素對實驗結(jié)果造成的實質(zhì)性影響，課題組研究者在受試者執(zhí)行視覺任務時，向其感覺運動皮層施加10Hz tACS，結(jié)果顯示這種情況下，tACS無法發(fā)揮促進視知覺學習的作用，結(jié)果如圖3（B）所示，這表明10Hz tACS只有作用于視覺皮層才會發(fā)揮促進視知覺學習的作用。由上可見，tACS以頻率和位置特異性方式促進視知覺學習。最后，課題組還發(fā)現(xiàn)學習效應可以至少穩(wěn)定維持14個月，如圖3（C）所示。該研究提示，alpha頻段(8-12Hz)的神經(jīng)振蕩活動在視知覺學習的發(fā)生中發(fā)揮關鍵作用。

圖1. 模擬電場

圖2. 經(jīng)顱交流電刺激實驗流程

圖3. 經(jīng)顱交流電刺激實驗主要結(jié)果

為了探究在訓練后早期鞏固階段，改變皮層興奮性對視知覺學習的調(diào)控作用，在另一項研究中，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作為實驗任務。在完成紋理辨別任務訓練后，立即向視覺皮層施加能夠快速提高皮層興奮性的陽極tDCS（如圖4所示），即使無后續(xù)訓練，知覺辨別能力也可以得到進一步提升，出現(xiàn)線下增益現(xiàn)象；若向視覺皮層施加虛假電刺激，則不會觀測到線下增益現(xiàn)象，結(jié)果如圖5所示。這表明在訓練結(jié)束后的早期清醒鞏固階段，增強視覺皮層興奮性有助于增強視知覺學習效應。

圖4. 經(jīng)顱直流電刺激主要實驗流程

圖5. 經(jīng)顱直流電刺激實驗主要結(jié)果

這些研究將有助于理解視知覺學習發(fā)生和鞏固的神經(jīng)機制，同時也為特殊應用場景中視覺功能增強提供新策略，例如臨床康復、軍事作業(yè)和體育訓練。

該系列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。

論文信息：

He, Q., Yang, X.-Y., Gong, B., Bi, K., & Fang, F. (2022). Boosting visual perceptual learning by transcranial alternating current stimulation over the visual cortex at alpha frequency. Brain Stimulation. DOI: 10.1016/j.brs.2022.02.018

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

來源：北京大學