经颅直流电刺激背外侧前额叶皮层调节与序贯任务中运动执行相关的认知功能: 一项随机对照研究

背景

日常生活中的任务通常包括为实现目标而执行的一系列行动。序贯任务需要决策，例如根据对情况的感知选择下一个行动，并决定如何执行该行动。执行功能涉及多个脑功能和区域。额叶，特别是前额叶皮质 (PFC) 在认知决策过程中被激活。具体来说，PFC与大多数感觉系统、皮质区域和皮质下结构有关，这些结构涉及行为、运动反应、记忆和情绪。外侧PFC参与逻辑自上而下的认知过程，并在情感中立的环境中发挥作用。此外，背外侧前额叶皮质 (DLPFC) 参与工作记忆、注意力、执行功能、双重任务和其他相关领域。fMRI研究也显示了DLPFC在双手协调任务和显式序列学习中的作用。这些研究表明，DLPFC不仅参与认知功能，而且参与复杂的运动任务和运动学习。

经颅直流电刺激 (tDCS) 无创性利用从头皮表面输送的电流调节皮层活动。 先前的研究表明，左侧DLPFC的阳极tDCS（atDCS）可改善认知功能，但不能改善运动功能或学习；然而，已有研究评估了执行单个运动任务或运动学习任务时实施atDCS的调节效果。很少有研究将认知和运动任务作为一系列运动或同时执行的双重任务。认知和运动之间的关系是互补而非竞争。目前，atDCS 在认知和运动互补的任务中对左侧 DLPFC 的调节作用仍不清楚。

本研究旨在探讨左侧DLPFC上的atDCS是否能改善与运动执行互补的认知任务表现。我们假设，由于左侧 DLPFC 上的 atDCS 在运动和认知功能相互竞争的任务中改善了认知功能，因此 tDCS 同样可以改善与运动执行互补的认知任务表现。

方法

40名健康参与者被随机分配到真或假tDCS组。阳极置于F3 (左侧DLPFC)，阴极置于对侧眶上区。参与者接受了一次tDCS治疗 (1.5 mA，20分钟)，并在tDCS前后进行了9次连续的非显性手任务。任务包括S1 (手动灵巧任务) 和S2 (需要决策的手动灵巧任务)。

结果

40名参与者被随机分配到真tDCS组或假tDCS组，每组20名参与者。由于1名参与者数据测量不完而被排除；因此，分别对真组和假组中的19名和20名参与者进行了分析 (图2)。所有参与者都能够接受tDCS和治疗前后的测量。没有tDCS副作用的主诉，这些副作用在治疗后得到口头证实。

表1显示真和假tDCS组参与者特征的平均值。在年龄和爱丁堡利手量表方面，卡方检验和两样本t检验分别没有显著差异 (χ2 = 0.079，p = 0.556; t = 0.247, p = 0.867)。所有参与者在爱丁堡利手问卷中得分至少为50分，表明右利手。组间性别无显著差异 (χ2 = 1.004, p = 0.316)，tDCS治疗时间无显著差异 (χ2 <0.001, p> 0.999)，但两组参与者对tDCS的认知有显著差异 (χ2= 8.313, p = 0.004)。没有明显的tDCS期间试验次数差异 (t = 0.458，p = 0.729) 和错误试验次数差异 (t = 0.867, p = 0.863)。每个参与者9个会前和会后时间的平均连续任务时间如下: 对于会前，真tDCS组和假tDCS组分别需要（8.53 ± 2.11）s和（8.64 ± 1.98）s。治疗后，真组和假组分别需要（6.45 ± 1.20）s和（6.70 ± 0.93）s。两组间无显著差异 (治疗前t = 0.159，p = 0.874; 治疗后t = 0.703，p = 0.487)。

每个参与者9个会前和会后时间的平均连续任务时间如下: 对于会前，真tDCS组和假tDCS组分别需要（8.53 ± 2.11）s和（8.64 ± 1.98）s。治疗后，真组和假组分别需要（6.45 ± 1.20）s和（6.70 ± 0.93）s。两组间无显著差异(治疗前t = 0.159，p = 0.874; 治疗后t = 0.703，p=0.487）。

tDCS对手部运动轨迹的影响

将连续任务的轨迹示例呈现给每组中的一个人 (图3)。

对于S1轨迹长度，时间的主效应显著 (F(1，37) = 8.763, p = 0.005,ηp2= 0.191)，刺激的主效应不显著(F(1，37) = 0.974, p = 0.330, 0ηp2 = 0.026; 图4A)。时间和刺激之间没有显著的交互作用 (F(1，37) = 0.068, p = 0.795,ηp2 = 0.002)。在S2轨迹长度中，双因素方差分析显示时间和刺激之间存在显著的交互作用(F(1，37) = 5.191, p = 0.029,ηp2= 0.123; 图4A)。事后比较表明，真tDCS后S2轨迹长度明显短于真tDCS前(p <0.001)。同样，假tDCS后S2轨迹长度明显短于假tDCS前 (p = 0.004)。此外，S2轨迹长度在真tDCS后明显短于假tDCS后 (p = 0.017)。

在S1矩形区域，时间或刺激没有显著的主效应 (F(1，37) = 1.418, p = 0.241,ηp2 = 0.037; F(1，37) = 0.232, p = 0.633,ηp2 = 0.006; 图4B)。此外，时间和刺激之间没有显著的交互作用 (F(1，37) = 1.986, p = 0.167,ηp2 = 0.051)。在S2矩形区域，时间主效应显著（F(1,37) = 21.759, p < 0.001,ηp2 = 0.370），刺激主效应不显著(F(1,37) = 1.130, p = 0.295,ηp2 = 0.030; 图 4B)。而且，时间和刺激之间没有显著的交互作用(F(1,37) = 2.196, p = 0.147, ηp2 = 0.056)。

tDCS对到达和操作时间的影响

双因素方差分析显示，时间与到达S1或S2的乙醚刺激(F(1,37) < 0.514, p > 0.478,ηp2 < 0.014; 图4C)或操作时间 (F(1,37) < 0.865, p > 0.358,ηp2 < 0.023; 图4D)无显著交互作用。此外，S1和S2的到达时间(F(1,37) > 20.514, p < 0.001,ηp2 > 0.357; 图4C)和操作时间(F(1,37) > 5.507, p < 0.024,ηp2 > 0.130; 图4C）有显著的主效应 ，但到达刺激 (F(1,37) < 0.598, p > 0.444,ηp2 < 0.016; 图4C) 或操作时间不显著 (F(1,37) < 1.104, p > 0.300,ηp2 < 0.029; 图4C)。

讨论

本研究旨在探讨左侧DLPFC上atDCS对序贯决策任务的调节作用。我们使用了需要认知判断的改良Stroop任务作为S2段的序贯任务，结果S2节段的轨迹明显减少。当前结果表明，左侧DLPFC的atDCS可以促进序贯任务中监督注意系统的学习。

先前的一项研究报告称，左侧DLPFC的 tDCS 调节认知任务的结果，该任务与手动灵活性任务的结果相竞争。我们的结果与已有研究结果一致，提示左侧DLPFC的atDCS改善了运动和认知功能互补的任务认知功能。左侧DLPFC的atDCS改善了认知任务的表现，在我们目前的研究中，轨迹的显著下降是由于认知功能的改善。

本研究结果显示，时间对S1和S2的轨迹长度、到达时间、手动灵巧任务时间以及S2的矩形面积有主要影响。这些结果表明，本研究中使用的任务通过重复加速学习进程。此外，真tDCS组S2的轨迹长度比假手术组明显减少，表明在序贯任务中tDCS比基线有更大的学习增强效应。此外，两组之间无显著差异。

S1节段的任务是手动灵巧任务，包括拿起挂钩，这是一个常规任务，由基底节和初级运动皮层执行。此外，研究发现atDCS通过刺激初级运动皮层来诱导手动灵巧任务的调节。这些研究表明，在目前的研究中，S1的轨迹长度没有改变，因为刺激被应用于DLPFC。此外，我们发现两组之间在tDCS治疗期间的试验数量没有显著差异。这表明运动量不是影响tDCS组S2轨迹长度的重要因素。

本研究的所有参与者都是右撇子，在爱丁堡惯用手量表中得分为 50 或更高，并且使用非惯用手执行任务。以前的研究报告显示，同侧 M1和广泛的额叶和颞叶区域响应于非优势手部运动而被激活。此外，据报道，atDCS 仅在代表非惯用手的 M1 受到刺激的情况下增强精细和粗大运动手功能。这些报告可能表明，本研究中使用的非优势手任务更有可能在参与者的皮层活动和 tDCS 调节中产生任务诱导的变化。

本研究的局限性之一是参与者对 tDCS 状况的认识在 tDCS 组之间存在显著差异，这可能会使结果产生偏差。其次，本研究中tDCS的电极排列方式仅为左侧DLPFC作为阳极，眶上区作为阴极，未证实阴极tDCS的逆转效应。此外，我们没有验证电极的位置置于 M1。因此，未来的研究需要额外的验证。

结论

本研究表明左侧DLPFC的单个tDCS会话可以提高与动作执行互补的认知任务表现，但不能提高灵巧性任务表现。阐明 tDCS 对与运动执行相关的认知功能的调节作用可能有助于改善康复患者的表现。

感想

本文最大的亮点就是使用经颅直流电刺激 (tDCS)调节与运动执行有关的认知功能，它可能提供了一种新的康复方法。本研究构建了一项新任务，其中认知决策反映在运动动作中，并发现左背外侧前额叶皮层 (DLPFC) 的 tDCS 可以改善任务表现。

原文：Yamamoto S, Ishii D, Ishibashi K, Kohno Y. Transcranial Direct Current Stimulation of the Dorsolateral Prefrontal Cortex Modulates Cognitive Function Related to Motor Execution During Sequential Task: A Randomized Control Study. Front Hum Neurosci. 2022. 16: 890963.

翻译：李雯燕

排版：毛悟宇

审核：李  月