Frontiers in Aging Neuroscience | 深圳先进院蔚鹏飞团队发现基于脑电特征的经颅电刺激能提升工作记忆能力

by 曾兰婷、汪贤亮 | 2022-03-10

  2022年3月10日，中国科学院深圳先进技术研究院（简称“深圳先进院”）脑认知与脑疾病研究所脑图谱中心蔚鹏飞研究员团队在Frontiers in Aging Neuroscience 杂志在线发表了题为“The effects of electroencephalogram feature-based transcranial alternating current stimulation on working memory and electrophysiology”的研究论文。团队基于与言语工作记忆性能改善相关的脑电图特征选择经颅交流电刺激参数，并验证了选择参数对言语工作记忆有显著地促进作用。深圳先进院蔚鹏飞研究员为该文章的通讯作者，研究助理曾兰婷和郭铭柔为该文章的共同第一作者，帝国理工学院的吴若翎和中科华意公司的罗余为文章的共同作者。

  经颅电刺激是一种非侵入性神经刺激技术，它通过电极将特定的低强度电流作用于特定脑区，达到调节大脑皮层神经活动的目的，具有恢复脑损伤、调节情绪、增强认知能力等功能。目前，此技术在轻度认知障碍、阿尔茨海默病、抑郁症、注意缺陷多动障碍等临床疾病中被广泛应用，具有良好的实用前景。工作记忆是认知衰老的核心症状之一，因此，通过非侵入性经颅电刺激技术改善工作记忆有助于延缓认知老化。研究团队提出：在选择刺激靶点和参数时，可探究与工作记忆行为改善对应的脑电变化特征，并基于该特征选择刺激靶点和参数。

  为了探究与言语工作记忆表现改善关联的脑电变化特征，团队招募志愿者分3次完成N-back任务，并根据第一次测验结果将志愿者分为高工作记忆能力者（工作记忆任务表现更好）和低工作记忆能力者（工作记忆表现相对差），任务的同时记录脑电。结果显示：言语工作记忆行为表现随练习显著提升（图1）。使用脑电分析和机器学习技术（图2），团队发现： 前额叶的8 Hz活动变化与言语工作记忆正确率的改善有关。由此，团队选择前额叶作为刺激靶点，8 Hz作为刺激频率，并进一步探究8 Hz（选择刺激）经颅交流电刺激对言语工作记忆的改善作用，结果发现：8Hz（选择刺激）能更显著地提升言语工作记忆任务反应正确率。

图1. 言语工作记忆的行为指标变化图。（A）三次测验中低能力组（LP）和高能力组（HP）志愿者在3-back和4-back任务中反应正确率（target-ACC）的变化；（B）为三次测验中低能力组（LP）和高能力组（HP）志愿者在3-back和4-back任务中反应时（RT）的变化。

图2. Filter Bank Common Spatial Pattern (FBCSP)工作流程。首先将原始脑电图分成三个频段，然后进行空间滤波以获得共同空间模式(common spatial pattern, CSP)特征。基于互信息，我们选择了两个最具识别性的特征，并确定了它们的空间频率模态，进而寻找对行为表现更敏感的脑电特征。

 

  实验使用的经颅电刺激设备为团队自主研发的穿戴式经颅电刺激训练仪。该设备采用基于脑波监测-无创神经刺激的闭环反馈式调控方式，其核心部分包括穿戴式设备、脑认知训练评估软件、基于脑电波及认知任务的智能反馈算法和大数据云平台；能通过闭环神经调控，提高训练和电刺激对认知的干预作用，达到“1+1>2”的效果。