Sci. Adv. | 节律性视觉刺激对听觉工作记忆的因果性增强

按：利用经颅电/磁刺激来调控大脑特定频段的神经振荡现在已经用的比较多了，一条新的研究路线是利用节律性的感官刺激（如视觉闪烁）来调控神经振荡，从而影响行为表现。这里介绍一遍上个月发表在Science Advances上的文章，利用了节律性视觉刺激调控了跨模态的听觉工作记忆表现。

已有一些研究发现，利用特定节律的经颅磁刺激（TMS）或经颅交流电刺激（TACS）可以诱发大脑产生相同频率的神经振荡，进而调控高级认知功能，这一现象被叫做neural entrainment (这里翻译为“神经夹带”)。作者Albouy之前的工作发现，利用theta频率（4-8 Hz）的TMS刺激顶内沟（IPS）区域可以成功诱发IPS与前运动区之间网络的theta振荡，从而调控听觉工作记忆。

除了使用电或磁的刺激，一些研究也发现了可以使用节律性的感觉信息来诱发特定频率的神经活动。目前为止，该技术大多用于有关知觉加工（视觉、听觉等）的研究，还没有运用于高级认知过程。

为此，本研究探索了是否一种模态的感觉刺激（如视觉）可以通过entrain“超模态区域”（supraodality regions）来影响另一种模态的行为改变（如听觉）。这里的“超模态脑区”其实就是指对很多认知任务都起作用的领域一般性脑区（图1A；如额顶网络/multiple-demand network），IPS就是属于这种“超模态网络”，对于听觉工作记忆和视觉心理旋转任务都有作用。

本研究进行了三个实验，以闪烁的形式按照5Hz(theta频律)的频率节律性地呈现3D的心理旋转物体刺激（我们已知这种心理旋转可以引发IPS的活动）。研究者主要关注背侧通路的theta振荡，因为在记忆保持期间，可以观察到额定区域的theta能量随着记忆需求的增加而增加。此外，还关注额顶区之间的theta锁相值（phase locking），这被认为在工作记忆期间支持了中央执行网络间的长程功能连接。综上，本研究的目标是利用闪烁视觉刺激特异性地entrain背侧流的theta活动，从而影响听觉工作记忆的表现。

图1 (A) 背侧通路的“超模态网络”，对各种认知任务都起到作用；。（B）左侧表示了实验一的两种实验条件（旋转vs随机），中间呈现了两个条件下对于后部脑区的Stim-Brain PLV的广泛提高，右侧呈现了将两个条件对比之后，双侧IPS的特异性PLV提高。（C）实验二在先前的两个条件外增加了没有刺激呈现的控制条件；之后被试会听到三个音符（编码阶段），然后需要思考这三个音倒过来的样子（心理操作阶段），最后在反应阶段判断倒过来的三个音是否正确（提取阶段）。

下面看一下结果。在实验一中，作者利用脑磁图（MEG）研究了利用5Hz闪烁视觉刺激对背侧theta振荡的夹带效应（图1B）。实验分为旋转条件和随机条件，前者是5Hz的频率呈现正在旋转的物体（会诱发IPS的活动），而后者是5Hz的频率随机呈现角度的物体。研究者用刺激对脑的锁相值（stimulation-to-brain phase-locking value; Stim-Brain PLV）作为衡量entrainment效果的指标。结果发现，在两种条件下，后部脑区都出现了广泛的5Hz的Stim-Brain PLV，而进行两个条件对比之后，发现了双侧IPS特异性的Stim-Brain PLV提高（图1B）。

实验一的结果说明了旋转条件下的视觉闪烁刺激可以特异性诱发IPS的theta活动，接下来，作者利用实验二探索了这种entrain的背侧通路theta活动和听觉工作记忆表现的关系。该实验包括了三种条件（控制条件；旋转条件；随机条件；图1C），同时利用脑电(EEG)进行了记录，实验流程见图1C。

结果发现，在控制条件下的心理操作阶段，额顶区域和IPS的theta活动与行为表现呈正相关（图2A）。IPS到全脑其他地方的功能连接（使用inter-regional PLV指标）表明 ，theta频段双侧IPS到左侧前运动区的功能连接与个体表现呈正相关（图2B）。

图2 (A) 控制条件下，心理操作阶段的脑电分布情况，结果发现双侧IPS的theta能量与行为表现呈正相关；（B）控制条件下，theta频段双侧IPS到左侧前运动区的功能连接与个体表现呈正相关

之后，作者检验了旋转条件的闪烁刺激对行为表现的因果性作用，和控制或随机条件相比，结果发现被试在观看节律性旋转刺激的条件下表现出更好的工作记忆结果（图3A）。同样，利用Stim-Brain PLV作为entrainment的指标， 作者检验了Stim-Brain PLV和行为结果的关系。结果发现，在旋转条件下，双侧IPS和左侧前运动区的Stim-Brain PLV与行为表现呈正相关（图3B）。然后，为了与控制条件相比，作者利用旋转条件的Stim-Brain PLV减去控制条件的Stim-Brain PLV作为entrainment增益指标，并发现entrainment增益与行为结果的增益（旋转条件行为结果减去控制条件）也存在正相关（图3C）。最后，作者分析了背侧较强的theta夹带效应是否取决于节律刺激呈现时的theta相位，结果发现这两者是独立的（图3D）。

图3 (A) 被试在观看旋转刺激条件下表现出更好的工作记忆表现；（B）旋转条件下，entrainment的指标Stim-Brain PLV与工作记忆表现呈正相关；随机条件下不存在这一关系。（C）entrainment增益与行为结果的增益（旋转条件行为结果减去控制条件）存在正相关。（D）theta夹带效应与节律刺激呈现时的theta相位无关。

在实验三中，作者探索了是否实验二的结果只是由于单纯的旋转刺激而导致（而非特定频率的旋转刺激）。因此作者利用一个单独的行为实验，增加了利用1Hz的旋转或连续的旋转（没有闪烁）这两个条件来进行对比。结果发现只有5Hz的闪烁旋转刺激可以导致听觉工作记忆行为表现的增强（图4）。

图4 (A) 实验三的流程，多了两个控制条件；（B）只有5Hz闪烁刺激的条件引起了行为表现的提升。

总结一下，本研究发现了利用theta频率的闪烁视觉刺激可以诱发背侧区域（如IPS）的theta活动，并因果性地提升听觉工作记忆表现。

如果更推广一点，即利用某种模态（如视觉）特定频率的感觉刺激可以诱发“超模态脑区”的脑活动，并因果性地提升另一种模态（如听觉）的行为表现。这种方法还很新，其稳定性和作用效果需要进一步的实验证据，但其效果似乎很有趣和有用。

论文原文：

Albouy, P., Martinez-Moreno, Z. E., Hoyer, R. S., Zatorre, R. J., & Baillet, S. (2022). Supramodality of neural entrainment: Rhythmic visual stimulation causally enhances auditory working memory performance. Sci Adv, 8(8), eabj9782. https://doi.org/10.1126/sciadv.abj9782 

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