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我院脑智和合团队和复旦大学团队合作开发了增强持续性注意的新技术
[脑与心理科学研究院]  [手机版本]  [扫描分享]  发布时间:2022年4月8日
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近日,我院王一峰研究员领衔的脑智和合团队与复旦大学类脑智能科学与技术研究院王守岩研究员团队合作在Frontiers in Aging Neuroscience (SSCI一区,IF=5.75)发表了题为“The infraslow frequency oscillatory transcranial direct current stimulation over the left dorsolateral prefrontal cortex enhances sustained attention”的研究报告(Qiao et al. 2022)。该研究提出一种基于低频神经振荡的节律性经颅直流电刺激方案,有效提升了持续性注意水平。研究成果依托于脑智和合团队承担的国家自然科学基金项目(62177035)以及合作者承担的多个国家科研课题,王一峰研究员和王守岩研究员担任共同通讯作者,团队在读硕士研究生李根和鲁平参与了该项目。

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1. 论文信息。

持续性注意,即长时间保持目标导向行为的能力,是日常生活中大多数活动的关键认知能力。在驾驶、救援以及工业和空中交通管制等与生死相关的领域,持续关注目标的能力尤其重要。这种能力与大脑皮层,特别是背外侧前额叶皮层(DLPFC)为中心的网络活动有关。随着神经调节技术的进步,大量研究采用经颅直流电刺激(tDCS)调控各种注意力。然而,大部分通过tDCS调节持续性注意的研究发现调控效果极其微弱。最近的一些综述和元分析表明,刺激参数、个体差异、学习效果和任务难度等的变异是影响tDCS调节效果的主要原因。虽然影响因素众多,但优化tDCS刺激参数和刺激方案是保证调节效果具有普适性的必然途径。

注意波动的时间尺度与大尺度神经活动和行为表现的波动均位于亚慢波(0.01~0.1 Hz)范围内,表明三者的活动具有共同的基础。因此,在该频段调节神经活性有望提升持续性注意的效率。我们的前期研究证明在亚慢波呈现认知任务可以在认知特异性网络中诱发强烈的稳态脑响应(SSBR)。据此,本研究采用0.05 HztDCS诱发节律性神经活动,进而调节持续性注意。

本研究采用被试内设计,每个被试以随机顺序接受0.05 Hz tDCS (O-tDCS)、传统tDCS(C-tDCS)和伪刺激(sham),通过渐变式连续操作任务(gradCPT)测量持续性注意水平(见图2)

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2. 实验程序图。A:实验流程图。BgradCPT程序图。C:刺激位置。D:刺激程序图。

结果发现,刺激类型和测量时间的交互作用在虚报(commission error)、漏报(omission error)RTmeanRTsd等指标上均显著。这些指标分别与抑制控制、注意缺失、注意集中和注意稳定等持续性注意的子成分相关联。相对于C-tDCSsham条件,O-tDCS显著降低了这些指标;而C-tDCS相比于sham只有微弱降低(见图3)。这些发现重复了传统tDCS效应微弱的发现,并表明O-tDCS能有效提升持续性注意水平。

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3. 刺激类型与测量时间的交互作用。A:刺激对错误率的调节。B:刺激对反应时的调节。只有O-tDCS显著调节了持续性注意的各个指标。

进一步分析表明,O-tDCS确实在刺激频率(0.05 Hz)附近诱发了强烈的行为振荡(见图4),并且该振荡的幅度能有效预测上述指标,表明O-tDCS对持续性注意的有效调节可能是通过诱发的低频振荡起作用的。

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4. tDCS对反应时功率谱的调节。AO-tDCS在刺激频率(0.05 Hz)附近(0.031-0.063 Hz)诱发了强烈的反应时波动。B:不同条件下0.05 Hz的功率。

这些结果表明O-tDCS调节了与持续性注意相关的低频振荡。前人关于ADHD的研究(Yordanova et al. 2011)和我们的后续研究(见图5)均表明,0.05 Hz可能是持续性注意波动的固有频率。在固有频率上能产生最佳的共振效应并排除其他频率的噪声和干扰,这可能是O-tDCS有效调节持续性注意的重要原因。通过优化持续性注意相关的神经活动,为其注入更多可利用的资源,从而支持了持续性注意的过载理论(overload theory)

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5. 持续性注意的固有频率。以20秒为周期(0.05 Hz)tDCS促使持续性注意的各个指标达到最优值,暗示0.05 Hz可能是持续性注意波动的固有频率。

 

持续性注意波动的固有频率可以为非侵入性脑刺激提供精确的时间靶点,提高干预的精准度和效果。本研究开发的基于认知固有频率的O-tDCS技术有望为脑智增强提供一种普适性的高效干预方案。

 

文献信息:

Jingwen Qiao, Xinyu Li, Youhao Wang, Yifeng Wang*, Gen Li, Ping Lu, Shouyan Wang*. (2022). The infraslow frequency oscillatory transcranial direct current stimulation over the left dorsolateral prefrontal cortex enhances sustained attention. Frontiers in Aging Neuroscience. 14: 879006. https://doi.org/10.3389/fnagi.2022.879006

 

主要参考文献:

Yifeng Wang, Xinju Huang, Xuezhi Yang, Qi Yang, Xinqi Wang, Georg Northoff, Yajing Pang, Chong Wang, Qian Cui, Huafu Chen. (2019). Low-frequency phase-locking of brain signals contribute to efficient face recognition. Neuroscience. 422, 172-183.

Yifeng Wang, Wang Chen, Liangkai Ye, Bharat Biswal, Xuezhi Yang, Qijun Zou, Pu Yang, Qi Yang, Xinqi Wang, Qian Cui, Xujun Duan, Wei Liao, Huafu Chen. (2018). Multi-scale energy reallocation during low frequency steady-state brain response. Human Brain Mapping. 39, 2121-2132.

Yifeng Wang, Zhiliang Long, Qian Cui, Feng Liu, Xiujuan Jing, Heng Chen, Xiaonan Guo, Jinhong Yan, Huafu Chen. (2016). Low Frequency Steady-State Brain Responses Modulate Large Scale Functional Networks in a Frequency-Specific Means. Human Brain Mapping. 37, 381-394.

Yifeng Wang, Gangshu Dai, Feng Liu, Zhiliang Long, Jinhong Yan, Huafu Chen. (2015) Steady-state BOLD Response to Higher-order Cognition Modulates Low Frequency Neural Oscillations. Journal of Cognitive Neuroscience. 27(12), 2406-2415.

Juliana Yordanova, Björn Albrecht, Henrik Uebel, Roumen Kirov, Tobias Banaschewski, Aribert Rothenberger, Vasil Kolev. (2011). Independent oscillatory patterns determine performance fluctuations in children with attention deficit/hyperactivity disorder. Brain, 134(6), 1740-1750.



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编辑:脑与心理科学研究院