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大象香蕉煮伊在118:心理与认知科学学院方方课题组利用无创神经调控技术增强人类视觉学习能力和视皮层可塑性

近日,大象香蕉煮伊在118心理与认知科学学院方方课题组在神经调控领域顶级期刊Brain Stimulation连续发表研究论文,发现经颅电刺激技术可以有效提升视知觉学习效能。

可塑性一直是神经科学的热门研究主题之一。传统观点认为,个体在出生后其视觉系统存在发育的关键期,在该时期内,视觉系统具有高度可塑性,随着发育,视觉系统的结构日臻成熟、功能日趋完备。该时期内的发育异常会造成视觉系统结构和功能的不可逆性损伤,导致神经眼科疾病的发生,如弱视。关键期之后,视觉系统的结构和功能稳固化。近些年,越来越多的证据表明视觉系统在发育成熟后,并非一成不变,而是依然具有高度可塑性,视知觉学习便是其中的典型例子。

视知觉学习是指视觉功能在反复练习等视觉经验的作用下得到大幅度提升的现象,在行为学上可以通过判断正确率的升高、反应时间的缩短和阈值的降低等指标来反映。视知觉学习现象涵盖范围广泛,目前已知几乎所有视觉任务的表现均可在反复练习后得到显著提高,从视觉刺激最基本的属性(如朝向、对比度、运动方向等)到复杂客体(如面孔、物体、自然场景等)。此外,知觉学习效应具有长期稳定性,例如有追踪研究显示,一次训练后增强的知觉辨别能力可稳定维持至少3年。视知觉学习不仅为无创地研究经验依赖型神经可塑性提供优良范式,还为恢复神经眼科病人的视觉功能提供可行策略,目前已有大量临床相关研究将视知觉学习原理应用于恢复或提高低视力患者的视觉功能,如弱视、偏盲、黄斑变性等。迄今为止,研究者对知觉学习的特性进行了广泛研究;同时,结合神经电生理学技术和无创神经影像技术,对知觉学习发生的皮层位置和形式进行了大量研究。然而,既往的研究仍存在诸多空白。一方面,神经振荡活动是实现正常认知功能的先决条件之一,而关于视知觉学习发生的神经振荡机制,研究开展得少且结果不一致。另一方面,巩固期作为视知觉学习发生的关键阶段,既往的研究集中于探究睡眠在巩固视知觉学习中的作用,而对于清醒时期的巩固在视知觉学习发生中的作用知之甚少。

与此同时,时兴的无创神经调控技术能够快速地改变大脑神经活动,且因其具有安全性高、操作简易、成本低等特点,已广泛应用于基础神经学科、康复治疗和认知增强等领域。经颅电刺激技术是无创神经调控技术中的突出代表。经颅电刺激技术包含多种类型,其中,经颅交流电刺激(transcranial alternating current stimulation,以下简称tACS)技术和经颅直流电刺激(transcranial direct current stimulation,以下简称tDCS)技术是应用最为广泛的两种。不同类型的经颅电刺激技术通过不同工作机理发挥调控大脑神经活动的作用:tACS技术以频谱特异性方式增强大脑内源性神经振荡活动,而tDCS技术通过改变目标脑区兴奋性或抑制性神经递质的浓度从而改变大脑皮层兴奋性。这两类经颅电刺激技术为回答上述问题提供良好的方法支持。因此,方方课题组采用不同类型的经颅电刺激技术在视知觉学习的不同阶段对视知觉学习进行调控。

为了确定主导视知觉学习的内在神经振荡频率,方方课题组在执行朝向辨别任务的过程中(如图2所示),向视觉皮层施加不同频率的tACS,通过引发大脑内在神经振荡活动的改变,进而调控视知觉学习。课题组发现,向视觉皮层施加10HztACS能够加速学习进程、更大幅度提升受试者的知觉辨别能力;若向视觉皮层施加其他频率的tACS,则不会观测上到前述促进效应,这表明tACS以频率特异性方式促进视知觉学习,结果如图3(A)所示。为了排除潜在的间接因素对实验结果造成的实质性影响,课题组研究者在受试者执行视觉任务时,向其感觉运动皮层施加10Hz tACS,结果显示这种情况下,tACS无法发挥促进视知觉学习的作用,结果如图3(B)所示,这表明10Hz tACS只有作用于视觉皮层才会发挥促进视知觉学习的作用。由上可见,tACS以频率和位置特异性方式促进视知觉学习。最后,课题组还发现学习效应可以至少稳定维持14个月,如图3(C)所示。该研究提示,alpha频段(8-12Hz)的神经振荡活动在视知觉学习的发生中发挥关键作用。

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图1. 模拟电场

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图2. 经颅交流电刺激实验流程

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图3. 经颅交流电刺激实验主要结果

为了探究在训练后早期巩固阶段,改变皮层兴奋性对视知觉学习的调控作用,在另一项研究中,课题组采用在视知觉学习巩固研究中广泛使用的纹理辨别任务作为实验任务。在完成纹理辨别任务训练后,立即向视觉皮层施加能够快速提高皮层兴奋性的阳极tDCS(如图4所示),即使无后续训练,知觉辨别能力也可以得到进一步提升,出现线下增益现象;若向视觉皮层施加虚假电刺激,则不会观测到线下增益现象,结果如图5所示。这表明在训练结束后的早期清醒巩固阶段,增强视觉皮层兴奋性有助于增强视知觉学习效应。

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图4. 经颅直流电刺激主要实验流程

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图5. 经颅直流电刺激实验主要结果

这些研究将有助于理解视知觉学习发生和巩固的神经机制,同时也为特殊应用场景中视觉功能增强提供新策略,例如临床康复、军事作业和体育训练。

该系列研究得到国家自然科学基金重点大象香蕉煮伊在118(31930053)和北京智源人工智能研究院的支持。

论文信息:

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)

信息来源: 心理与认知科学学院,大象香蕉煮伊在118新闻网

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