經顱交流電刺激對心理旋轉認知過程的影響

董國亞 石 靜 楊 慧 劉 曄 吳祖河 陳小剛

1（河北工業大學電氣工程學院生物醫學工程系，天津 300130）

2（清華大學工程物理系，北京 100084）

3（中國醫學科學院北京協和醫學院生物醫學工程研究所，天津 300192）

經顱交流電刺激對心理旋轉認知過程的影響

董國亞1?石 靜1楊 慧1劉 曄1吳祖河2陳小剛3

1（河北工業大學電氣工程學院生物醫學工程系，天津 300130）

2（清華大學工程物理系，北京 100084）

3（中國醫學科學院北京協和醫學院生物醫學工程研究所，天津 300192）

經顱交流電刺激（tACS）是一種通過在頭皮施加微弱交流電刺激、從而進行神經調節的非侵入刺激技術，已經被證實可以調節大腦的認知功能。心理旋轉是一種想像客體或自身旋轉的空間表征轉換能力，是衡量空間認知能力的重要標尺之一。探索tACS對心理旋轉認知能力的影響，利用心理旋轉實驗范式，以行為學表現和ERP、ERD等電生理參數作為主要評判指標，分析tACS對心理旋轉產生的作用。行為學結果表明，alpha節律的tACS可以顯著減少反映時間（P＜0.05），并且反映時隨著刺激圖片旋轉角度的增加先增大后減小。比較對照組和8～12 Hz刺激組的心理旋轉相關的負波（RRN），發現刺激組的RRN幅值比對照組幅值低（刺激組vs對照組，P＜0.05），同時發現RRN幅值隨著刺激圖片旋轉角度的增加呈現先降低后升高的趨勢。時頻分析結果顯示，刺激組的alpha和beta頻段的事件相關去同步（ERD）現象比對照組更弱（刺激組vs對照組，P＜0.05），且ERD開始時間更早。有研究表明，ERD強弱與大腦激活水平有關，說明tACS作用后，大腦激活水平降低；進而提示tACS可以提高被試的心理旋轉能力，有望成為提高空間認知能力的新途徑。

經顱交流電刺激；心理旋轉；心理旋轉相關負波；事件相關去同步

引言

經顱交流電刺激（transcranial alternating current stimulation，tACS）是通過在頭皮上施加微弱交流電，以達到刺激顱內中樞神經目的的一種非侵入式刺激技術［1］。目前對于tACS的研究多集中在對認知能力的影響，研究發現特定頻率的tACS能夠引起感知、記憶、運動功能以及更高級認知功能的改變［2-6］。刺激頻率不同，引起的認知行為的改變也不盡相同，比如在初級運動皮層區（M1）施加beta節律的tACS可以提升運動皮層興奮性，但其他節律的tACS刺激卻不能引起興奮性變化［7］。Theta節律的電刺激可以提高被試的工作記憶能力［8］。

近年來的科學實驗研究證實，手的心理旋轉會涉及受試者產生運動想像的過程。關于心理旋轉的實驗最早可以追溯到1971年美國斯坦福大學的心理學家謝帕德（R.Shepard）和梅茨勒（Metzler）等人做的一系列實驗，通過實驗他們發現，隨著旋轉角度從0°～180°逐漸增加，判斷難度逐漸增加，反映時也線性增加［9］。

近期的心理旋轉實驗證實，人的心理旋轉活動不僅對大腦皮層各區域的活動能產生影響，也會影響人的認知和判斷過程，對心理旋轉能力及其性質的研究不僅在理解人類空間認知行為方面有重要的理論意義，并且有十分重要的應用價值［10］。研究顯示，判斷左右手的心理旋轉任務涉及到大腦運動皮層區域的活動，包括主運動區、運動前區、輔助運動區等［11］。事件相關電位研究發現，在心理旋轉的過程中，刺激呈現后300～700 ms之間會出現一個顯著的正成分，而且隨著旋轉角度的增加，該成分的波幅減小，這種幅度的改變通常被稱為心理旋轉相關的負波（rotation-related negativity，RRN）［12］。

本研究采用8～12 Hz的微弱交流電作為電刺激材料，實驗中涉及到的心理旋轉任務，選用旋轉不同角度的左右手圖片作為實驗材料，設置了判斷左右手的心理旋轉任務，記錄被試在進行心理旋轉任務時的腦電信號和行為數據。按照不同角度類型對分段后的數據進行分類疊加，對比相同角度下對照組和刺激組的反映時、事件相關電位變化，以及時頻變化，量化tACS對心理旋轉判斷過程的影響，探究tACS對大腦認知功能的作用效應。

1 材料和方法

被試選擇：15名碩士生（9名男性，6名女性），年齡在20～30歲之間，年齡（24.8±2.6）歲，右利手，所有被試實驗期間均身體健康，沒有生理或精神方面的疾病，視力或者矯正視力正常，簽署了實驗知情同意書，實驗結束后付給被試一定的報酬。并要求被試在實驗前對心理旋轉判斷任務進行練習，直到正確率達到80%以上再進行實驗。

1）實驗設置：由于腦電實驗的設計過程忽略了被試的反映時間，因此本研究將實驗設置為行為學實驗和腦電實驗兩部分，每名被試首先接受行為學實驗，并在行為學實驗的第二天進行腦電實驗。15名被試參加了行為學實驗，實驗過程中只記錄個人的 alpha頻率值（individual alpha frequency，IAF）測定和閾值采集過程中的腦電數據，對于心理旋轉的判斷過程則只統計被試的行為學反映時和正確率，不記錄腦電數據，具體流程如表1所示。在行為學實驗中，先進行4組心理旋轉判斷，接著進行20min的電刺激（或假刺激），最后再進行4組心理旋轉判斷。在腦電實驗中，15名被試參與實驗，并且每名被試都進行了對照組和刺激組兩組實驗，在實驗中，兩組實驗的順序是由實驗人員隨機安排的。在腦電實驗中，記錄被試的腦電數據，具體流程如表2所示。在腦電實驗中，在完成閾值采集后，要先進行20min的電刺激（或假刺激），然后再進行8組心理旋轉判斷任務。

表2 腦電實驗流程Tab.2 The flow chart of EEG experiment

2）實驗材料：左右手線描圖［13］，如圖1所示，圖中的Back代表上面12個圖片呈現的是左手手背和右手手背，Palm代表下面12個圖片呈現的是左手手心和右手手心，共有四種姿勢。每種姿勢旋轉6個方向（0°～300°，步長60°），共有24張圖片，左、右手各12張。在實驗中，將所有圖片重復4次，并隨機出現，即每組實驗被試要判斷96張圖片，判斷任務為識別左、右手。

圖1 心理旋轉刺激圖片Fig.1 The stimulation pictures of mental rotation

3）EEG記錄：采集儀器為美國NeuroScan公司的腦電記錄系統，按國際標準10-20系統擴展的64導電極帽。采集時所有電極接觸阻抗低于10 kΩ，采樣率為1 000 Hz，采樣時設置的帶通濾波范圍為0.5～200 Hz，參考電極是位于頭頂的Cz電極。

4）電刺激設置：將黏膠電極（2 cm×2 cm）分別置于10-20系統電極帽的Cz和Oz位置下面，如圖2所示。因個體差異，個人的alpha頻率不盡相同，為保證刺激頻率的準確性，本研究在實驗前先測定IAF。刺激前，采集2min被試在閉眼狀態下的腦電，選取枕部電極Pz的腦電數據，采用快速傅里葉變換（FFT）得到功率譜，對功率譜在8～13 Hz范圍內尋峰得到每個被試的IAF。在被試頭皮放置好刺激電極并良好接觸后，從0開始以20 μA步長增加刺激幅度，當被試的頭皮有輕微針刺感或出現光幻覺時，以20 μA的步長減小刺激電流至被試的感覺消失，此時的電流值即作為被試刺激組的刺激電流大小。

圖2 刺激電極位置Fig.2 Stimulation electrode positions

實驗中用到的電刺激儀器是清華大學醫療新技術實驗研發的多參數可調經顱微電流刺激器，設備型號為tES-100。該儀器的輸出頻率范圍為0～64 Hz，精度為0.5 Hz，電流精度為5 μA，恒流電流輸出范圍是0～500 μA。在本實驗中，設置刺激儀器輸出正弦波形電流。

5）心理旋轉腦電檢測實驗流程（見圖3）：每組心理旋轉判斷任務都有96個trial，即每張圖片隨機重復出現4次。每個trial開始時，黑色的屏幕正中央呈現一個白色的注視點+，持續時間為500 ms，隨后在屏幕正中央出現一張旋轉不同角度的左手或右手圖片，持續時間為1 000 ms，此時不能立即進行按鍵，而是直到屏幕上出現?號后才能進行按鍵，如果刺激圖片是左手，按鍵盤上的F鍵，如果是右手，按鍵盤上的J鍵，此過程需要記錄腦電信號。按鍵結束，＊號消失，屏幕變成全黑色，持續1 500 ms后進入下一個trial。

圖3 心理旋轉實驗流程Fig.3 The flow of mental rotation

6）行為學實驗：在行為學實驗中，心理旋轉的判斷過程中不會出現＊號圖片。在實驗中，刺激圖片隨機呈現，被試應盡可能快地進行按鍵判斷，如果被試看見刺激圖片是左手，按鍵盤上的F鍵，如果是右手，按鍵盤上的J鍵，隨后其反映時間和正確率被保存下來，但不同時記錄腦電數據。

2 實驗數據分析方法

實驗數據分析分為兩個部分，一是行為學實驗的反映時和正確率的統計分析，二是采集的腦電實驗數據的事件相關電位、事件相關去同步的信號分析。

1）行為學實驗統計分析方法：為了研究不同實驗條件對心理旋轉能力的影響，采用配對t檢驗（pair-samplet-test）統計施加不同實驗條件前后被試反映正確率和反映時間變化情況；RRN幅度統計分析采用雙因素重復測量方差分析，組間因子為組別（對照組/刺激組，共兩個水平），組內因子為角度（0°/60°/120°/180°/240°/300°，共 6 個水平）；對200～600 ms區間alpha頻段內的功率譜值采用雙因素重復測量方差分析，組間因子為組別（對照組/刺激組，共兩個水平），組內因子為角度（0°/60°/120°/180°，共4 個水平）。

2）腦電信號處理方法：首先對采集到的腦電信號進行預處理，包括眼電、肌電和壞電極的去除，1～40 Hz的帶通濾波，雙側乳突的重參考，等等。選取刺激呈現前200 ms至刺激呈現后1 000 ms作為分段的時程。取刺激前200 ms作為基線，對腦電進行基線校正。將對照組和刺激組中經過預處理得到的分段EEG信號按照不同的刺激類型進行疊加平均，可得到不同刺激類型下的事件相關電位（event related potential，ERP）。提取 RRN幅值時，選擇刺激后350～550 ms作為時間窗，計算該時間段內的ERP平均幅值作為RRN幅值。對數據做進一步處理，得到對照組和刺激組CPz電極在350～550 ms間的平均ERP地形圖。最后對腦電數據做時頻分析，得到對照組和刺激組CPz電極從0°～180°的時頻圖。

3 結果

實驗結果主要從行為學實驗的反映時和正確率，以及腦電實驗數據的事件相關電位、事件相關去同步這些方面進行分析。

3.1 行為學實驗統計結果

有研究表明，在心理旋轉過程中，順時針旋轉和逆時針旋轉造成了相同的心理學角度影響［14］。本研究結果也驗證了反映時和角度之間的這種關系，即從0°不論是順時針還是逆時針旋轉，反映時均在180°時達到最大值。對被試的行為學實驗數據進行統計，得到了對照組和刺激組反映時的統計結果如圖4所示。當旋轉角度為180°時，反映時最大，從 0°～180°，反映時有逐漸增大趨勢，從180°～300°又逐漸減小。

統計施加不同實驗條件前后被試反映正確率和反映時間變化情況，如表3、4所示，NS表示差異沒有顯著性，?表示P＜0.05?？梢钥吹?，對照組和刺激組在刺激前后的正確率沒有顯著差異，而刺激組刺激前后反映時有明顯差異，說明alpha頻率的電刺激可以提高被試的反映能力，縮短反映時間，對于提升被試的心理旋轉認知能力是有幫助的。

圖4 刺激前后不同角度的反映時對比。（a）對照組；（b）刺激組Fig.4 The reaction time of different angle between prestim and poststim.（a）Control group；（b）Stimulation group

表3 刺激前后正確率對比Tab.3 Contrast of the correct rate pre and post stimulation

表4 刺激前后反映時間對比Tab.4 Contrast of reaction time pre and post stimulation

由于alpha頻率的電刺激對于被試的反映時有顯著影響，所以對alpha頻率刺激前后各個角度下的反映時進行統計，結果如表5所示。可以看到，刺激前后60°、120°、180°下的反映時有明顯減小，說明alpha頻率的電刺激確實會顯著降低被試反映時間。

表5 alpha頻率不同角度刺激前后的反映時（s）統計結果Tab.5 Contrast of reaction time（s）under different angles pre and post alpha stimulation

從表5中還可以發現，刺激后300°對應的平均反映時比60°要大，而240°對應的平均反映時也比120°要大，這兩組角度都是關于0°對稱的，但是結果卻沒有出現對稱現象。由于被試在進行心理旋轉判斷時一般都是采用將圖片從目標位置旋轉至0°位置再進行判斷的，分析猜測出現這種現象的原因是，被試可能是采用逆時針旋轉將圖片旋轉至0°位置進行判斷，由于旋轉240°和300°圖片時，要比旋轉60°和120°圖片時多旋轉180°，因此，耗時更長，所以出現了這種不對稱現象。

3.2 事件相關電位分析

對照組和刺激組不同角度的ERP疊加平均后的結果如圖5所示，這里展示了CPz電極在350～550 ms之間的幅值變化，180°對應的最大幅值明顯小于其他角度。對照組和刺激組的CPz電極在不同角度下350～550 ms時間段內最大幅值的對比如圖6所示，其中?表示P＜0.05，NS表示無顯著差異。隨著角度從小到大變化，波幅大小出現了近似對稱的現象，即圖片旋轉角度從0°～180°逐漸增加，ERP波幅逐漸變低，圖片旋轉角度從180°～300°逐漸增加，波幅逐漸升高，而在 60°與 300°、120°和240°兩組旋轉角度中，ERP波幅在每組中都近似相等。

對比對照組和刺激組CPz電極ERP，如圖7所示，（a）～（f）分別對應 0°、60°、120°、180°、240°、300°共6個角度?？梢钥吹矫總€角度下，刺激組的RRN幅值都比對照組的略小一點，但二者之間的差值不是特別明顯。這說明，alpha頻率的電刺激使得刺激組的RRN幅值降低了。

RRN幅度統計分析顯示，組間因素組別的主效應顯著（F（1，102）＝8.45，P＝0.000 9），刺激組和對照組的RRN幅值之間有顯著差異，說明電刺激引起了刺激組RRN幅值的顯著降低。組內因素角度的主效應顯著（F（5，618）＝107.79，P＝0.002 1），說明不同角度的刺激圖片誘發的RRN幅值之間存在顯著差異。組間因素組別和組內因素角度交互作用無顯著性（F（5，618）＝0.53，P＝0.76），說明同樣角度下，對照組和刺激組不同角度之間RRN幅值無顯著差異。

圖5 不同角度ERP對比。（a）對照組；（b）刺激組Fig.5 ERP of different angle.（a）Control group；（b）Stimulation group

圖8為對照組和刺激組CPz電極在350～550 ms間的平均ERP地形圖。圖中平行排列的兩張圖，左邊的是對照組，右邊的是刺激組，（a）～（d）分別對應 0°、60°、120°、180°。從中可以發現，隨著角度的增加，中央區能量呈現下降趨勢，180°對應的中央區能量最低，刺激組和對照組均出現這種現象。并且，與對照組相比，刺激組各個角度下的中央區能量都比對照組低。

3.3 事件相關去同步分析

圖9為CPz電極的時頻圖。從圖中可以看出，圖片刺激呈現后200～600 ms之間，在alpha和beta頻段都出現了事件相關去同步（event related desynchronization，ERD）現象［15］，證實了人手圖片的心理旋轉確實有運動想像加工的參與［16］。隨著旋轉角度從0°～180°逐漸增加，alpha頻段的在200～600 ms區間對應位置的顏色越來越深，180°對應的顏色最深。對比對照組和刺激組ERD可以發現，各個角度下，刺激組去同步現象比對照組更弱，而且出現去同步現象的時間更早。

圖6 不同角度下CPz電極在350～550 ms間最大幅值對比Fig.6 Comparison of the peak amplitude of CPz at different angles between 350 to 550 ms

200～600 ms區間alpha頻段內的功率譜值統計結果顯示，組間因素組別的主效應顯著（F（1，102）＝3.27，P＝0.042），刺激組和對照組的功率譜值有顯著差異，說明刺激組ERD現象減弱是由電刺激引起的。組內因素角度的主效應顯著（F（3，412）＝7.79，P＝0.015），說明不同角度的刺激圖片誘發的ERD之間存在顯著差異。組間因素組別和組內因素角度交互作用無顯著性（F（3，412）＝0.97，P＝0.71），說明同樣角度下對照組和刺激組在不同角度之間ERD無顯著差異。

4 討論

雖然有研究表明，RRN幅值與反映時間存在負相關性［17］，但是在本研究中，刺激組的RRN幅值卻略小于對照組，并沒有出現顯著的負相關差異，這可能是因為RRN幅值與反映時兩者之間的負相關程度不高。在這種情況下，需要有非常顯著的行為學反映時下降才有可能觀測到明顯的電生理數據變化。不過，刺激組和對照組的反映時都是隨著旋轉角度的增加先增加后減小，而RRN幅值都是隨著旋轉角度的增加先減小后增加，180°對應的反映時最大，但其RRN幅值最小。由此推測，反映時和RRN幅值間的負相關性應該還與角度有關。

ERP地形圖顯示，旋轉角度從0°～180°逐漸增加時，中央區能量逐漸降低，根據Kurumadani等的研究分析［18］，猜測出現這種現象的原因可能是由于被試采用了運動想像加工策略完成來判斷任務，因此現實中人手越難做出的姿勢，被試的加工深度就會越大，心理負荷量也會加大，需要耗費更多的心理資源，因此使用的神經網絡或者激活的腦區也會更多［19］。因此可以判斷，180°時大腦激活程度最高。刺激組各個角度下的中央區能量都比對照組低，這是因為行為學反映時的快慢與運動感覺皮層的激活水平有關［20］，tACS刺激后，被試反映更快，完成相同任務需要耗費的能量相對減少，激活的腦區也會更少。

圖7 不同角度下 CPZ 電極的 ERP 對比圖。（a）0°；（b）60°；（c）120°；（d）180°；（e）240°；（f）300°Fig.7 Compared ERP of CPZ under different angles.（a）0°；（b）60°；（c）120°；（d）180°；（e）240°；（f）300°

圖8 不同角度下350-550 ms間平均ERP地形圖（左側是對照組，右側是刺激組）。（a）0°；（b）60°；（c）120°；（d）180°Fig.8 The average topographic map between 350 to 550ms under different angles.（a）0°；（b）60°；（c）120°；（d）180°

通常認為ERD是在運動想像或真實運動過程中神經活動興奮的標志［21］，在本研究中，出現了alpha和beta頻段的ERD現象，證實了人手圖片的心理旋轉確實是有運動想像加工的參與。并且，與對照組相比，刺激組在alpha和beta的去同步化現象有減弱現象，說明刺激后被試感覺運動皮層的激活水平降低，也能完成相同的判斷任務。結合行為學實驗的結果來看，應該是tACS作用后，被試反映加快，可以更迅速地完成心理旋轉判斷任務，因此與對照組相比，可以更早地進入去同步化過程。

圖9 不同角度下CPZ電極時頻圖（左邊為對照組，右邊為刺激組）。（a）0°；（b）60°；（c）120°；（d）180°Fig.9 Time frequency plot of CPZ under different angle.（a）0°；（b）60°；（c）120°；（d）180°

由于分析數據時著重分析了旋轉角度與各項參數的關系，沒有按照實驗判斷任務根據左右手進行分段，這也是本研究的不足之處，在接下來的工作中，會對這方面進行更深入的研究。

5 結論

Alpha頻率的電刺激作用于大腦后，行為學實驗表明，被試的判斷正確率無顯著差異，但反映時間有明顯降低，說明tACS可以提升被試的反映能力，降低反應時間。刺激后，RRN幅值有明顯降低，在所有刺激角度下，alpha和beta頻段都出現了去同步化現象，并且刺激組去同步現象出現時間提前，去同步化程度減弱?？偨Y分析以上結果，可以認定tACS可以提升被試的心理旋轉認知能力。

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The Influence of Transcranial Alternating Current Stimulation on Mental Rotation

Dong Guoya1?Shi Jing1Yang Hui1Liu Ye1Wu Zuhe2Chen Xiaogang3

1（Department of Biomedical Engineering，School of Electrical Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin300130，China）

2（Department of Engineering Physics，Tsinghua University，Beijing100084，China）

3（Institute of Biomedical Engineering，Chinese Academy of Medical Sciences and Peking Union Medical College，Tianjin300192，China）

Transcranial alternating current stimulation（tACS）is a new non-invasive technology that applies weak electrical stimulation on the scalp to regulate neural activity.It has been confirmed that tACS can regulate spontaneous brain rhythm and influence cognitive process.Mental rotation is an important benchmark to measure spatial cognitive ability by imaging rotate object or itself.This study used mental rotation experimental paradigm to explore the effects of tACS on the mental rotation cognitive，the main evaluation indexes were behavioral performance and electrophysiological parameters like event related potential（ERP）and event related desynchronization（ERD）.Behavioral results showed that the alpha tACS significantly reduced the reaction time（P＜0.05），and with the image rotation angle increasing，the reaction time increased first and then decreased.Compared the mental rotation related negative wave between control group and stimulation group，we found that the RRN amplitude of stimulation group was lower than that of control group（stim vs sham，P＜0.05），and it decreased first and then increased with the rotation angel increasing.The time-frequency analysis showed that the event related desynchronization in alpha and beta bands of stimulation group was weaker than that of control group（stim vs sham，P＜0.05），and it appeared earlier than that of control group，indicating that tACS reduced the level of brain activation based on the earlier results that ERD is related to brain activation level.These results implied that tACS could improve the mental rotation ability and was potential in becoming a new way to improve the spatial cognitive ability.

transcranial alternating current stimulation（tACS）；mental rotation；rotation-related negativity（RRN）；event related desynchronization（ERD）

R318 文獻標志碼：A 文章編號：0258-8021（2017）05-0565-08

10.3969 /j.issn.0258-8021.2017.05.00

2016-09-18，錄用日期：2017-01-11

?通信作者（Corresponding author），E-mail：dongguoya_hebut@163.com