Brain Stimulation：方方团队揭示知觉学习清醒巩固的调控新机制
近日，北京大学心理与认知科学学院、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“Transcranial direct current stimulation over the visual cortex facilitates awake consolidation of visual perceptual learning”的研究论文。该研究首次发现在训练后清醒阶段对视觉皮层施加阳极经颅直流电刺激（transcranial direct current stimulation）可以促进视知觉学习的巩固。
人类视觉系统即使在发育成熟后，仍然具有很强可塑性。视觉功能可以在训练等视觉经验的作用下得到增强，即视知觉学习。例如，有经验的影像科医生能够快速地识别出医学图像中的病灶区。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。训练后的巩固是视知觉学习发生的关键过程，它可以发生在训练后清醒期和睡眠期。以往的研究主要关注睡眠在知觉学习巩固中的作用，而对训练后清醒期在知觉学习巩固中的作用知之甚少。有研究发现，在训练后清醒期抑制视觉皮层的活动，会干扰知觉学习效应；但是，迄今为止，尚不清楚在训练后清醒期增强视觉皮层的活动是否会有助于增强视知觉学习效应。为此，方方课题组采用非侵入性神经调控技术结合心理物理学和计算建模方法对该问题进行了探究。
在这项研究中，方方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（texture discrimination task）作为主要实验任务。在纹理辨别任务中，目标刺激消失后，在屏幕上会快速呈现掩蔽刺激（mask），此后被试需要报告呈现在屏幕中央的字母以及外周视野目标图案的倾斜角度，如图1A所示。通过控制掩蔽刺激与目标刺激之间的间隔时间（stimulus onset asynchrony，以下简称SOA）来控制任务难度，SOA越短，则任务越难；反复训练则可以降低正确执行操作任务所需SOA。以往的研究证实，纹理辨别任务训练后，若被试有睡眠，再次测试时，则SOA会继续降低，出现线下增益现象（offline gain）；若被试一直保持清醒，则不会出现线下增益。同时，在这项研究中，研究者以经颅直流电刺激技术为核心神经调控技术。理论上，经颅直流电刺激技术能够以极性特异性方式快速改变大脑皮层兴奋性，阳极经颅直流电刺激可以诱发长时程增强效应，为解决本研究中所关心的问题提供良好的方法支持。
在正式实验中，随机分配被试至真实电刺激组（active）或虚假电刺激组（sham）。被试在早晨8:30进入实验室完成8组纹理辨别训练；训练一结束，被试立即接受施加于视觉皮层的阳极经颅直流电刺激（德国NeuroConn公司DC-stimulator电刺激仪，电刺激位置如图1C所示），真实电刺激组和虚假电刺激组接受电刺激的时长分别为25分钟和15秒（电刺激时长如图1D所示）；此后，被试一直保持清醒，在夜间20:30完成4组测试。实验流程如图1B所示。
图1. 实验方法
研究结果显示，接受真实电刺激的被试在夜间测试时，其纹理辨别任务正确率相对于电刺激前有显著提高（图2B红色图）；若转化为阈值，则测试阶段阈值相对于电刺激前显著降低（图2C红色图），且阈值降低幅度显著大于零（图2D红色图），表明出现线下增益。然而，接受虚假电刺激的被试，其行为学表现并未有显著改变（图2B、图2C和图2D黑色图），表明未出现线下增益。上述结果表明作用于视觉皮层的阳极经颅直流电刺激对知觉学习早期清醒期的巩固有促进作用。
此外，经颅直流电刺激对知觉学习早期清醒期的促进作用还受到睡眠质量的调节。利用聚类分析方法，按照匹兹堡睡眠质量量表的得分，将被试划分为睡眠质量较优组（BS）和较差组（WS）。进一步的统计分析显示（如图2E所示），睡眠质量较优的被试在接受阳极经颅直流电刺激后行为表现获得显著改善；而睡眠质量较差的被试即使接受阳极经颅直流电刺激，其行为绩效也没有表现出显著进步。
图2. 主要实验结果
本研究提示，在训练结束后存在“清醒巩固”过程，调节该过程中的皮层兴奋性对于知觉学习的发生具有独特意义。训练一结束，在该时间窗口期内，参与处理训练任务的相关视觉皮层神经环路处于一种兴奋的不稳定状态。施加于视觉皮层的阳极经颅直流电刺激通过降低伽马-氨基丁酸（GABA）能神经递质的浓度从而提高兴奋/抑制性比（E/I ratio），使得电刺激目标区域的皮层兴奋性水平整体得到提高。确切的工作机制，仍需进一步研究以确定。本研究将为特殊应用场景中视觉功能增强提供新策略，例如，军事作业、临床康复和体育训练。
输
方方课题组博士生杨鑫跃与博士后何勍为本文第一作者，方方教授为本文通讯作者。
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。
Yang, X. Y.#, He, Q.#, & Fang, F. (2022). Transcranial direct current stimulation over the visual cortex facilitates awake consolidation of visual perceptual learning. Brain Stimul, 15(2), 380-382, DOI: 10.1016/j.brs.2022.01.019 (#co-first author)
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课题组介绍
方方
北京大学心理与认知科学学院教授
北京大学IDG戈文脑科学研究所PI
北大-清华生命科学联合中心PI
研究领域
主要利用脑成像、神经调控、心理物理学、计算建模、人类遗传学等方法和技术研究视知觉、意识、注意及其认知神经机制。
北京大学IDG麦戈文脑科学研究所
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