PNAS | 利用alpha频率神经调控提高默认网络内部连接性

按：圣诞假期快到尾声，休息了半个月后更新效率也提高了不少，希望下周开学后不会也拖更太久~！本文介绍一篇前两天发表在PNAS上的文章，将经颅交流电刺激(tACS)、EEG、fMRI三种技术相结合，观察了alpha振荡对默认网络内部连接性的影响。

默认网络（default mode network; DMN）是被研究最多的脑功能网络之一，对于支持高级心理能力（如意识、社会认知、自我参照等）都有作用，它的失调则会引起各种精神疾病。

神经元之间的同步化（synchrony）被认为和区域间连接性（connectivity）存在关联，并有可能通过神经发育来绑定和塑造这种连接性。其中，8~12 Hz的alpha振荡被认为和DMN的功能有关。静息态的同步EEG-fMRI研究表明，alpha振荡的活动和DMN的活动存在正相关。

为了进一步探索alpha和DMN之间的因果联系，一种方法是通过施加特定频率和相位的经颅交流电刺激（tACS）来模仿和诱发(entrain; 亦译为"夹带"，目前似乎找不到很好的翻译)内源性alpha神经振荡，从而观察DMN活动的变化。对于相位这一点，通过增强相位同步性，对于提高区域间的连接性特别有效。

因此，本研究利用高分辨率（HD）的alpha频率tACS对个体顶枕部alpha源的位置进行刺激，用来增强内源性alpha振荡，然后同步采用EEG-fMRI联合记录来测量不同tACS条件（真刺激vs虚假刺激）前后alpha同步化（EEG alpha的能量和连接性）和DMN连接性的变化。

如图1A所示，41名被试被随机分为两组，分别进行20分钟的tACS真实刺激或虚假刺激（sham），在刺激前后分别进行静息态EEG-fMRI同步记录。HD tACS采用4*1 montage的方法（图1A）放置在在中线顶枕部附近（由1个中心电极和4个周围电极组成一个闭合电路），用来最大程度刺激alpha在顶枕部的产生源。

结果分析的第一步是要验证tACS的有效性，这步非常有必要，很多研究者的神经刺激没有起到效果，后续分析也就无从谈起（这也是为什么做这类研究会比较忐忑的原因）。首先验证的是tACS刺激位置是否正确，基于标准头模型的电流有限元建模表明，最大和中心电场位于枕顶叶皮层（图1A），验证了tACS的有效性。此外，通过对alpha活动的源水平分析，也表明tACS产生的最大alpha能量增加位于右侧顶枕叶（图1B），同样验证了tACS的有效性。

下一步要验证的是alpha频率的tACS确实能够提高alpha的能量和连接性。结果发现，相比于虚假刺激组，tACS组被试在接受刺激之后右侧后部脑区alpha能量提高（图1C/D/E）。之后，利用格兰杰因果分析（Granger caisality; GC）检验了alpha连接性的变化，结果同样发现右侧后部到额部（P→F）alpha连接性的提升（图1F/G）。此外，上述效应均只在alpha频带被发现。

图1 （A）实验设计以及tACS的位置、tACS作用效果模拟；（B）EEG源定位表明tACS刺激位置确实在顶枕部；（C/D/E）两组被试刺激前后的alpha能量头皮分布和差异，tACS导致alpha能量的提升，且右侧电极的效应比左侧明显；（F/G）两组被试刺激前后P→F alpha连接性差异，tACS导致连接性（格兰杰因果）增强，且右侧电极的效应比左侧明显、

上述分析论证了tACS干预的效果是有效的，接下来要分析的就是tACS干预对于基于BOLD信号的DMN内部节点连接性的影响。如图2A~C所示，alpha-tACS可以有效提高DMN内部节点间的功能连接，并且这种提高局限于DMN内部以及tACS靶点位置。

图2（A~C） alpha-TACS增强了基于BOLD信号的DMN连接性。（A）DMN节点的连接性矩阵（后测-前测）；下三角是真实tACS条件，上三角是sham条件；（B）统计图；（C）以vPCC为种子点的全脑连接图表明vPCC的连接性增强只在DMN和tACS靶点范围内。

接下来， 作者还利用EEG数据考察了tACS对于DMN内部alpha频段连接性的影响。如图2D/2F所示，alpha-tACS可以有效提高DMN内部的alpha连接性（即从PCC到mPFC的格兰杰因果关系）。在全脑层面，可以发现从PCC出发到mPFC和喙部ACC的alpha连接性都显著得到增强

图2（D~F） alpha-TACS增强了alpha频段的DMN内部连接性

根据上述发现，作者进一步发现alpha连接性的增强在alpha-tACS干预和DMN功能连接增强之间起到了中介作用。

图3  alpha功能连接（P→F）的提高在alpha-tACS干预和DMN内部连接性提高之间起到了中介作用。

最后，研究者还考察了tACS靶点到DMN之间的连接性变化。结果发现（图4A），tACS增强了从靶点到DMN节点（mPFC、vPCC）的功能连接。以tACS靶点为种子点的全脑功能连接表明（图4B），tACS靶点到DMN节点功能连接的增强只存在于真实tACS组。

图4  alpha-tACS增强了从靶点到DMN节点（mPFC、vPCC）的功能连接

最后，由于上面的分析使用的控制组是虚假刺激（sham），不能说明得到的效果是alpha频率tACS特异的还是所有电刺激都可以带来的。为此，研究者另外做了一个实验，重新招募了34名被试分别分配到真实alpha-tACS组和一个随机噪音刺激组（transcranial random noise stimulation; tRNS），其所有主要结果都重复了上述发现，证明上述得到的效果是alpha频率tACS特异的。

综上，本研究发现了alpha频率的tACS可以有效增强大脑的alpha活动，并且以此为中介进一步增强DMN内部的连接性（而非DMN与外部的连接性），这表明alpha振荡可以有效支持DMN的功能。因此，利用alpha振荡的神经刺激干预或许可以成为治疗由DMN功能紊乱引起的精神疾病的潜在手段。

论文原文：

Clancy, K. J., Andrzejewski, J. A., You, Y., Rosenberg, J. T., Ding, M., & Li, W. (2021). Transcranial stimulation of alpha oscillations up-regulates the default mode network. Proceedings of the National Academy of Sciences, 119(1). doi:10.1073/pnas.2110868119

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