近日,银河7163官网、麦戈文脑科学研究所、北大-清华生命科学联合中心方方课题组在神经调控领域顶级期刊Brain Stimulation发表题为“Boosting visual perceptual learning by transcranial alternating current stimulation over the visual cortex at alpha frequency”的研究论文,该研究首次发现在执行训练任务过程中对视觉皮层施加10 Hz经颅交流电刺激(transcranial alternating current stimulation,以下简称tACS)可以加速视知觉学习进程并增强学习效能。


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“无他,唯手熟尔”是北宋文学家欧阳修的作品《卖油翁》中脍炙人口的名句,故事告诉我们反复练习是提高精细动作技能的充分条件。同样地,反复练习也可以提高已发育成熟的视觉系统的知觉能力,该现象被称为视知觉学习(visual perceptual learning)。例如,有经验的影像科医生能够快速而准确地识别出医学图像中的病灶位置。视知觉学习反映了视觉系统经验依赖型神经可塑性,为无创地研究视觉神经可塑性提供良好的范式。迄今为止,大量的研究致力于探究视知觉学习发生的皮层位置和形式,然而对于其发生的神经振荡机制知之甚少。与此同时,日益精进的tACS技术,能够以频谱特异性方式调控大脑内在神经振荡活动,从而建立认知与神经振荡活动之间的因果关系,为回答该问题提供了良好的方法支持。为此,方方课题组采用tACS技术结合心理物理学方法对该问题进行了探究。

在该研究中,研究者采用在视知觉学习研究中广泛使用的朝向辨别任务(orientation discrimination task)作为主要实验任务。在朝向辨别任务中,屏幕左下方会快速闪现两次倾斜角度略有差异的图形,此后被试需要通过按键报告第二次呈现图形相对于第一次呈现图形的倾斜角度为逆时针还是顺时针,如图1(A)所示。通过控制图形之间倾斜角度的差异来控制任务难度,若受试者能在更小倾斜角度时仍能准确辨别图形之间的差异,则其精细知觉能力越强。在这项研究中,受试者先完成一次训练前基线测试;此后再进行为期5天的朝向辨别训练,在执行操作任务时接受不同条件的tACS;最后再完成一次测试以评估训练效果,实验流程如图1(B)。电刺激设置方案如图1(C)所示。

首先,研究者发现当受试者在执行朝向辨别训练时,若视觉皮层接受10Hz tACS,相对于虚假电刺激条件,学习速率更快、行为表现提高幅度更大;若视觉皮层接受其他频率的tACS(6Hz、20Hz和40Hz),则未观测到前述促进效应,如图3所示。这个结果表明施加在视觉皮层的10Hz tACS能够以频率特异性方式促进视知觉学习。随后,研究者发现如果10Hz tACS施加于大脑双侧感觉运动皮层,则未观测到前述促进效应(如图4所示),排除了潜在间接因素对实验效应造成的实质性影响,这也表明10Hz以刺激位置特异性方式促进视知觉学习。最后,研究者发现,朝向辨别能力增强效应在训练结束后14个月依然稳定保持,如图5所示。


图1.实验方法。


图2.模拟电场。


图3.主要实验结果(一)。


图4.主要实验结果(二)。


图5.主要实验结果(三)。

本研究提示,alpha频段神经振荡活动在知觉学习发生中发挥关键作用。以往研究发现alpha频段神经振荡与跨皮层间的信息交流有关,负责自上而下的反馈投射;与此同时,在视知觉学习研究中,大量研究也发现学习的发生受到来自负责注意和知觉决策等脑区的反馈投射的调节;因此,alpha频段神经振荡可能是通过发挥征募注意或决策等相关脑区对视觉皮层的反馈投射作用从而调节视知觉学习。对于10 Hz tACS促进视知觉学习的确切工作机制,课题组正在进行探究。

本研究不仅有助于加深对视知觉学习神经振荡机制的理解,还将为应用转化提供参考,例如,加速恢复或提高弱视、偏盲、黄斑变性等病人的视觉功能。

课题组博士后何勍为本文第一作者,方方教授为本文通讯作者,博士生杨鑫跃在本研究中有重要贡献,当时在实验室轮转的生命科学联合中心博士生龚宝琦和毕可言在数据收集中亦做出重要贡献。感谢王茜博士对稿件的评论和建议;感谢生命科学联合中心博士生蔡瑞玲在数据收集中的帮助;感谢博士后陈璐瑶在电场模拟中的帮助。

本研究得到国家自然科学基金重点项目(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