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發表題為“Boosting visual perceptual learning by transcranial alternating current stimulation over the visual cortex at alpha frequency”的研究論文，該研究首次發現在執行訓練任務過程中對視覺皮層施加10 Hz經顱交流電刺激（transcranial alternating current stimulation，以下簡稱tACS）可以加速視知覺學習進程并增強學習效能。
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“無他，唯手熟爾”是北宋文學家歐陽修的作品《賣油翁》中脍炙人口的名句，故事告訴我們反複練習是提高精細動作技能的充分條件。同樣地，反複練習也可以提高已發育成熟的視覺系統的知覺能力，該現象被稱為視知覺學習（visual perceptual learning）。例如，有經驗的影像科醫生能夠快速而準确地識别出醫學圖像中的病竈位置。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。迄今為止，大量的研究緻力于探究視知覺學習發生的皮層位置和形式，然而對于其發生的神經振蕩機制知之甚少。與此同時，日益精進的tACS技術，能夠以頻譜特異性方式調控大腦内在神經振蕩活動，從而建立認知與神經振蕩活動之間的因果關系，為回答該問題提供了良好的方法支持。為此，方方課題組采用tACS技術結合心理物理學方法對該問題進行了探究。
在該研究中，研究者采用在視知覺學習研究中廣泛使用的朝向辨别任務（orientation discrimination task）作為主要實驗任務。在朝向辨别任務中，屏幕左下方會快速閃現兩次傾斜角度略有差異的圖形，此後被試需要通過按鍵報告第二次呈現圖形相對于第一次呈現圖形的傾斜角度為逆時針還是順時針，如圖1(A)所示。通過控制圖形之間傾斜角度的差異來控制任務難度，若受試者能在更小傾斜角度時仍能準确辨别圖形之間的差異，則其精細知覺能力越強。在這項研究中，受試者先完成一次訓練前基線測試；此後再進行為期5天的朝向辨别訓練，在執行操作任務時接受不同條件的tACS；最後再完成一次測試以評估訓練效果，實驗流程如圖1(B)。電刺激設置方案如圖1(C)所示。
首先，研究者發現當受試者在執行朝向辨别訓練時，若視覺皮層接受10Hz tACS，相對于虛假電刺激條件，學習速率更快、行為表現提高幅度更大；若視覺皮層接受其他頻率的tACS（6Hz、20Hz和40Hz），則未觀測到前述促進效應，如圖3所示。這個結果表明施加在視覺皮層的10Hz tACS能夠以頻率特異性方式促進視知覺學習。随後，研究者發現如果10Hz tACS施加于大腦雙側感覺運動皮層，則未觀測到前述促進效應（如圖4所示），排除了潛在間接因素對實驗效應造成的實質性影響，這也表明10Hz以刺激位置特異性方式促進視知覺學習。最後，研究者發現，朝向辨别能力增強效應在訓練結束後14個月依然穩定保持，如圖5所示。
圖1.實驗方法。
圖2.模拟電場。
圖3.主要實驗結果（一）。
圖4.主要實驗結果（二）。
圖5.主要實驗結果（三）。
本研究提示，alpha頻段神經振蕩活動在知覺學習發生中發揮關鍵作用。以往研究發現alpha頻段神經振蕩與跨皮層間的信息交流有關，負責自上而下的反饋投射；與此同時，在視知覺學習研究中，大量研究也發現學習的發生受到來自負責注意和知覺決策等腦區的反饋投射的調節；因此，alpha頻段神經振蕩可能是通過發揮征募注意或決策等相關腦區對視覺皮層的反饋投射作用從而調節視知覺學習。對于10 Hz tACS促進視知覺學習的确切工作機制，課題組正在進行探究。
本研究不僅有助于加深對視知覺學習神經振蕩機制的理解，還将為應用轉化提供參考，例如，加速恢複或提高弱視、偏盲、黃斑變性等病人的視覺功能。
課題組博士後何勍為本文第一作者，方方教授為本文通訊作者，博士生楊鑫躍在本研究中有重要貢獻，當時在實驗室輪轉的生命科學聯合中心博士生龔寶琦和畢可言在數據收集中亦做出重要貢獻。感謝王茜博士對稿件的評論和建議；感謝生命科學聯合中心博士生蔡瑞玲在數據收集中的幫助；感謝博士後陳璐瑤在電場模拟中的幫助。
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。
He, Q., Yang, X.-Y., Gong, B., Bi, K., & Fang, F. 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 https://www.brainstimjrnl.com/article/S1935-861X(22)00047-X/fulltext
2022-03-15