近日，beat365官方网站、麥戈文腦科學研究所、北大-清華生命科學聯合中心方方課題組在神經調控領域頂級期刊Brain Stimulation（IF = 8.955，中科院一區）發表題為“Transcranial direct current stimulation over the visual cortex facilitates awake consolidation of visual perceptual learning”的研究論文，該研究首次發現在訓練後清醒階段對視覺皮層施加陽極經顱直流電刺激（transcranial direct current stimulation）可以促進視知覺學習的鞏固。
人類視覺系統即使在發育成熟後，仍然具有很強可塑性。視覺功能可以在訓練等視覺經驗的作用下得到增強，即視知覺學習。例如，有經驗的影像科醫生能夠快速地識别出醫學圖像中的病竈區。視知覺學習反映了視覺系統經驗依賴型神經可塑性，為無創地研究視覺神經可塑性提供良好的範式。訓練後的鞏固是視知覺學習發生的關鍵過程，它可以發生在訓練後清醒期和睡眠期。以往的研究主要關注睡眠在知覺學習鞏固中的作用，而對訓練後清醒期在知覺學習鞏固中的作用知之甚少。有研究發現，在訓練後清醒期抑制視覺皮層的活動，會幹擾知覺學習效應；但是，迄今為止，尚不清楚在訓練後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。為此，方方課題組采用非傾入性神經調控技術結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别任務（texture discrimination task）作為主要實驗任務。在紋理辨别任務中，目标刺激消失後，在屏幕上會快速呈現掩蔽刺激（mask），此後被試需要報告呈現在屏幕中央的字母和外周視野目标圖案的傾斜角度，如圖1A所示。通過控制掩蔽刺激與目标刺激之間的間隔時間（stimulus onset asynchrony，以下簡稱SOA）來控制任務難度，SOA越短，則任務越難；反複訓練則可以降低正确執行操作任務所需SOA。以往的研究證實，紋理辨别任務訓練後，若被試有睡眠，再次測試時，則SOA會繼續降低，出現線下增益現象（offline gain）；若被試一直保持清醒，則不會出現線下增益。同時，在這項研究中，研究者以經顱直流電刺激技術為核心神經調控技術。理論上，經顱直流電刺激技術能夠以極性特異性方式快速改變大腦皮層興奮性，陽極經顱直流電刺激可以誘發長時程增強效應，為解決本研究中所關心的問題提供良好的方法支持。
在正式實驗中，随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組紋理辨别訓練；訓練甫一結束，被試立即接受施加于視覺皮層的陽極經顱直流電刺激（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别為25分鐘和15秒（電刺激時長如圖1D所示）；此後，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。
研究結果顯示，接受真實電刺激的被試在夜間測試時，其紋理辨别任務正确率相對于電刺激前有顯著提高（圖2B紅色圖）；若轉化為阈值，則測試階段阈值相對于電刺激前顯著降低（圖2C紅色圖），且阈值降低幅度顯著大于零（圖2D紅色圖），表明出現線下增益。然而，接受虛假電刺激的被試，其行為學表現并未有顯著改變（圖2B、圖2C和圖2D黑色圖），表明未出現線下增益。上述結果表明作用于視覺皮層的陽極經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量的調節。利用聚類分析方法，按照匹茲堡睡眠質量量表的得分，将被試化分為睡眠質量較優組（BS）和較差組（WS）。進一步的統計分析顯示（如圖2E所示），睡眠質量較優的被試在接受陽極經顱直流電刺激後行為表現獲得顯著改善；而睡眠質量較差的被試即使接受陽極經顱直流電刺激，其行為績效也沒有表現出顯著進步。
本研究提示，在訓練結束後存在“清醒鞏固”過程，調節該過程中的皮層興奮性對于知覺學習的發生具有獨特意義。訓練甫一結束，在該時間窗口期内，參與處理訓練任務的相關視覺皮層神經環路處于一種興奮的不穩定狀态。施加于視覺皮層的陽極經顱直流電刺激通過降低伽馬-氨基丁酸能（GABA）神經遞質的濃度從而提高興奮/抑制性比（E/I ratio），使得電刺激目标區域的皮層興奮性水平整體得到提高。确切的工作機制，仍需進一步研究以确定。本研究将為特殊應用場景中視覺功能增強提供新策略，例如，臨床康複和體育訓練。
圖2.主要實驗結果。
方方課題組博士生楊鑫躍與博士後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