經顱直流電刺激對健康大學生反應抑制的影響*

2018-06-22 01:49:12王慧慧羅玉丹余鳳瓊

心理學報 2018年6期

王慧慧羅玉丹石冰余鳳瓊汪凱

(安徽醫科大學醫學心理學系, 合肥 230000)

1 前言

看到紅燈信號, 我們停止已經產生的過馬路的沖動; 上課鈴聲響起, 我們抑制從事下一項娛樂活動的想法; 生活中有許多這樣的實例, 我們稱這種抑制已經形成的動作反應沖動為反應抑制(Andrés,2003)。反應抑制(response inhabition)是抑制住不符合當前需要的或不恰當的行為反應能力, 并使人們能夠對變化的環境做出靈活的、目標指向的行為(Logan & Cowan, 1984), 是執行功能的核心成分。已有的許多反應抑制任務的研究, 均報告了以右半球為主的反應抑制網絡(response inhabition network,RIN)的存在, RIN的關鍵腦區包括：背外側前額葉皮層、右額下回、右額中回、前扣帶皮層等(Menon,2011; Bari & Robbins, 2013)。

背外側前額葉皮層(dorsolateral prefrontal cortex,dlPFC)是備受關注的一個區域, 它在反應抑制中的作用正受到越來越多研究者的重視, 已有的神經心理學研究闡明dlPFC在認知過程中扮演著重要角色,并與控制執行功能密切相關。如有研究者使用功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)技術對不同版本的Go-Nogo任務操作所激活的腦區進行了定位,他們發現在不同版本的Go-Nogo任務中,背外側前額葉皮層被顯著激活(Casey et al.,1997); 同樣有人曾使用fMRI研究了dlPFC在反應抑制中的神經基礎, 他們使用測量反應抑制的Go-Nogo任務, 通過屏幕呈現基于圖形計算機的視覺刺激, 被試仰臥并通過棱形眼鏡觀看刺激, 并要求被試對 Go刺激做按鍵反應。實驗結果發現, 在Nogo任務中, 右側 dlPFC較左側激活程度更強(Konishi et al., 1999); 在賭博成癮患者存在反應抑制能力損毀的基礎上, 比較了賭博成癮患者與正常被試在 Go-Nogo任務中的血氧水平依賴(Blood Oxygenation Level Dependent, BOLD)強度, 發現在Nogo情境下, 賭博成癮患者在雙側dlPFC腦區的血氧水平依賴強度低于正常被試(van Holst, van Holstein,van den Brink, Veltman, & Goudriaan, 2012); 以上研究均表明dlPFC是反應抑制的重要腦區。

根據既往關于dlPFC在反應抑制中發揮重要作用的研究基礎, 有研究者采用重復經顱磁刺激(Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation, rTMS)技術驗證了dlPFC在反應抑制中的作用。他們對健康被試在間隔一天的時間內分別施加高頻率真刺激和偽刺激, 觀察被試在康納斯連續性能測試中的行為變化：與偽刺激條件相比, 真刺激條件下被試行為水平有較顯著變化, 即反應抑制得到提升(Hwang,Kim, Park, Bang, & Kim, 2010)。這一研究采用腦刺激(brain stimulation)的技術, 來改變目標皮層的活動水平, 從因果關系上探究了目標皮層區域與反應抑制之間的關聯。

近些年來, 一種新興的非侵入性的腦刺激技術—經顱直流電刺激(transcranial Direct current stimulation, tDCS)進入了研究者的視線。與 tDCS直接作用于目標皮層不同的是, rTMS是通過儲存大量電荷的電容器在極短時間內放電, 使感應線圈產生磁場, 磁場穿透大腦顱骨并在腦內產生反向感生電流, 最終引起腦功能或皮層可塑性的變化。與rTMS相比, tDCS較好的避免了由于穿透顱骨而可能帶來的能量衰減; 其次, 從安全性的角度分析,關于rTMS研究中的副反應報道略多, 更為嚴重的甚至會引發癲癇。tDCS僅有偶爾持續時間短暫的輕微刺痛、皮癢, 目前尚無tDCS誘發癲癇的報道,因此, tDCS是一種比較安全的經顱刺激方式。且相較rTMS, tDCS具有價格低廉、攜帶方便、操作簡單等突出優勢。

tDCS是通過海綿電極產生微弱電流直接刺激目標皮層(Palm, Hasan, Strube, & Padberg, 2016),共包括三種刺激類型：陽極刺激、陰極刺激和偽刺激; 研究者發現陽極刺激能增加皮質興奮性, 陰極刺激降低皮質興奮性(Nitsche & Paulus, 2000), 從神經元水平分析tDCS的作用機制發現陽極刺激產生去極化并起興奮作用, 陰極刺激則產生超級化并起抑制作用。此技術越來越多的被應用在認知神經、臨床研究及康復等多個領域, 其中也包括驗證dlPFC在反應抑制中的作用, 近年來, 也有許多此領域的研究陸續涌現。如有研究者利用tDCS陰極作用于右側dlPFC, 觀察被試在Go-Nogo任務中的行為變化, 發現其虛報率增高, 提示被試抑制能力降低, 而tDCS陽極作用于右側dlPFC卻未能改善被試抑制能力(Beeli, Casutt, Baumgartner, & J?ncke,2008); 利用 tDCS作用于 dlPFC, 采用檢索誘導遺忘測試考查被試接受刺激前后的行為變化, 發現陰極刺激能夠降低抑制, 以此說明dlPFC腦區的抑制能夠降低被試的抑制能力(Penolazzi, Stramaccia,Braga, Mondini, & Galfano, 2014); 使用tDCS激活左側dlPFC, 并在 Stroop色詞任務中發現真刺激組相比于偽刺激組, 反應時間顯著降低, 進一步證實 dlPFC是反應抑制的重要腦區(Loftus, Yalcin,Baughman, Vanman, & Hagger, 2015; Brevet-Aeby,Brunelin, Iceta, Padovan, & Poulet, 2016); 在一項對正常人進行的研究中, 研究者使用 tDCS陽極分別作用于右側dlPFC和左側dlPFC, 發現在兩種刺激下,被試的反應抑制能力均未能得到提升(Dambacher et al., 2015; Brevet-Aeby et al., 2016)。

到目前為止, tDCS刺激dlPFC改變反應抑制加工的研究仍然較少, 研究結果不一致, 主要歸因于以下兩方面。首先在目標腦區的選取上存在多樣性,且有關右側 dlPFC在反應抑制中的作用研究較少;其次, 在研究范式的選擇上存在多樣性, 研究反應抑制的常用范式包括Stroop色詞任務、反向眼跳任務(anti-saccade task)和Go-Nogo任務、停止信號任務(stop-signal task, SST)等。研究指出Stroop色詞任務更多反映對分心刺激的注意控制及選擇性注意, 因此可能主要與認知抑制相關(Nigg, 2000); 在反向眼跳任務中, 正向眼跳與反向眼跳間產生的潛伏期差異經常為研究者采用, 并作為衡量抑制功能的指標, 但在反向眼跳任務中, 從提示反向眼跳到靶子出現間存在一段準備時間, 由此有研究者質疑該范式對隨后抑制功能考察的可靠性; Go-Nogo任務相比于反向眼跳任務雖然避免了抑制任務前準備時間對隨后抑制功能考查的影響, 但有研究者認為 Go-Nogo 任務中被試對 Nogo 刺激的反應可能是其通過選擇性注意機制忽視了 Nogo刺激, 而不是被抑制了(Rubia, Smith, Brammer, & Taylor,2003); 相較反向眼跳任務和Go-Nogo任務, SST只包括Go刺激, 不含Nogo刺激, 因而可能是測量反應抑制能力更為純凈的方法。SST符合賽馬模型理論, 賽馬模型認為反應抑制和反應是兩個相互獨立而又相互競爭的加工過程, 先達到反應閾限者決定隨后行為(王琰, 蔡厚德, 2010)。SST中包括一個較為重要的行為學指標, 即停止信號反應時(stop-signal reaction time, SSRT)。跟蹤法設計的SST中SSRT均值等于Go RT均值減SSD均值。SSRT越短, 反應控制效率越高(王琰, 蔡厚德, 2010)。

最后, 在既往已有的相關研究基礎上, 本研究選擇了右側dlPFC腦區, 選用了測量反應抑制能力更為純凈的范式。旨在采用 SST, 通過 tDCS陽極作用于右側dlPFC皮層, 觀察被試在刺激前后行為學水平上的變化。本研究假設, 陽極刺激右側dlPFC會提高被試的反應抑制, 表現在行為學水平上即真刺激前后SSRT差值較偽刺激前后有顯著差異。

2 方法

2.1 被試

自2016年12月至2017年8月, 排除腦損傷歷史、精神類疾病史等, 使用漢密爾頓抑郁(Hamilton Depression Scale, HAMD)、漢密爾頓焦慮量表(Hamilton Anxiety Scale, HAMA), 排除大于7分的志愿者, 共招募34名(15名男性、19名女性)志愿者, 均為安徽醫科大學在讀學生(本科生、研究生),平均年齡22.06歲(從19歲～30歲), 平均受教育年限15.68年(從13年～20年), 所有被試均為右利手,身體健康, 無神經精神類疾病及腦損傷歷史, 無癲癇或癲癇家族史, 視力正?；虺C正后正常, 參與時完全自愿, 充分尊重被試的個人意愿, 實驗開始前均簽署實驗知情同意書, 實驗結束時予以一定的勞務費。

2.2 實驗設計

實驗采用被試內設計, 即同一被試需間隔7天隨機接受兩次刺激(一次真刺激、一次偽刺激), 在tDCS刺激前后分別完成 SST, 并在每次實驗開始前使用HAMA、HAMD測查被試焦慮抑郁水平, 排除焦慮抑郁大于7分的被試; 刺激前后讓被試分別完成Stroop色詞任務、數字廣度任務、詞語流暢性,前測用以確保被試接受真刺激與偽刺激前在執行功能、工作記憶、思維流暢性等方面基線值無差異,排除個體差異對實驗結果的影響; 同時對刺激前后的測試結果加以比較, 用以觀察被試在接受刺激后在執行功能、工作記憶和思維流暢性方面的變化。

2.3 tDCS

本研究采用Starlab研發, NE (Neuroeletrics)公司生產的StarStim經顱直流電刺激儀。使用的是面積為 35 cm2 (5 cm × 7 cm)的海綿電極, 并通過藍牙信號控制電流刺激強度及類型。根據EEG10-20系統擴展的坐標和相關磁共振成像定位研究(Jurcak,Tsuzuki, & Dan, 2007)。將陽極電極固定放置在頭皮F4位置, 陰極電極固定在FP1位置(見圖1)。已有的tDCS研究通常刺激時長為5～30 min (Palm et al.,2016), 有研究報告稱刺激5 min已經可以觀察到相應的刺激效應(Boggio, Zaghi, & Fregni, 2009), 綜合考慮到實驗時長問題, 因此本研究中真刺激時長設置為25 min, 且出于安全性的考慮, 我們將電流強度設置為1.5 mA。偽刺激條件下, 采用1.5 mA的微弱直流電僅刺激被試30 s (Loftus et al., 2015),之后停止刺激(但并不將電極拆除, 電極佩戴在被試頭皮上時間同樣是25 min, 以確保被試不知道接受的是哪種條件刺激)。在每次實驗結束后, 我們會詢問被試對此次實驗的具體感受, 對表示知道刺激類型的被試予以剔除, 被試均報告兩次刺激無差異。真刺激和偽刺激條件下, 電流遞增和遞減的時間均為8 s。

圖1 電極片放置位置

2.4 SST

采用E-prime程序在電腦上呈現SST任務, 任務包括 199個 trial, 實驗開始之前, 向被試說清指導語, 并予以練習, 使其充分理解任務內容。開始時, 黑色屏幕中央會先呈現白色圓圈作為注視點,200～400 ms后圓圈內出現白色朝左或朝右的箭頭,作為Go信號(Go Signal),要求被試看到白色箭頭快速按鍵反應, 箭頭朝左按“F”鍵, 朝右按“J”鍵, 但其中有些白色箭頭會變成紅色,紅色的箭頭即為Stop信號(Stop signal),看到箭頭變紅要求被試抑制住按鍵沖動(見圖2)。

圖2 停止信號任務流程圖

3 結果

3.1 真偽刺激前后神經心理學測驗結果比較

對真偽刺激前后的stroop效應量(stroop色字－stroop字)、數字廣度(順背、倒背)、詞語流暢性, 及兩種刺激前HAMA、HAMD, 分別使用SPSS 16.0進行配對樣本

檢驗。結果顯示真偽刺激前HAMA無顯著差異,

(33) = 0.32,

＞ 0.05; 真偽刺激前HAMD無顯著差異,

(33) = 0.49,

＞0.05; 真刺激前后數字廣度(倒背),

(33) = 2.23,

＜ 0.05, Cohen’

= 0.22; 偽刺激前后數字廣度(倒背),

(33) = 3.65,

＜ 0.01, Cohen’

= 0.48; 真刺激前后詞語流暢性,

(33) = 4.86,

＜ 0.001, Cohen’

= 0.60; 偽刺激前后詞語流暢性,

(33) = 5.75,

＜ 0.001, Cohen’

=0.93; 均有統計學意義, 并達到顯著性水平(見表1)。

表1 真偽刺激前后神經心理學測驗結果比較

3.2 SST任務行為學結果

使用ANALYZE-IT分析軟件, 計算出 SSD和Go RT的均值, 得出SSRT值。

3.2.1 刺激前SSRT差異比較

對真刺激前與偽刺激前SSRT值使用SPSS 16.0進行配對樣本

檢驗。結果顯示真刺激前 SSRT(306.70 ± 44.78 ms)與偽刺激前 SSRT (291.57 ±33.21 ms)無顯著差異,

(33) = 1.84,

＞ 0.05, 說明被試在接受真刺激前與偽刺激前反應抑制無差異。

3.2.2 刺激前后SSRT差異比較

對真刺激前后和偽刺激前后SSRT值分別進行配對樣本

檢驗。結果顯示真刺激前后SSRT差異顯著,

(33) = ?2.25,

＜ 0.05, Cohen’

= 0.38; 偽刺激前后SSRT無顯著差異,

(33) = 1.99,

＞ 0.05 (見表2、圖3)。為進一步探究tDCS作用是否存在性別差異, 對真刺激前后男女SSRT值進行重復測量方差分析。結果顯示真刺激前后男女SSRT無顯著差異,

(2,32) = 0.50,

＞ 0.05, 即tDCS的作用不存在性別差異(如圖4、圖5)。

表2 刺激前后SSRT差異比較

圖3 刺激前后SSRT值

圖4 真刺激和偽刺激前后SSRT值

圖5 真刺激前后男女SSRT值

3.2.3 刺激前后SSRT差值差異比較

對真刺激前后與偽刺激前后SSRT的差值進行配對樣本

檢驗。結果顯示真刺激前后SSRT差值(?15.88 ± 41.11 ms)與偽刺激前后 SSRT差值(10.56 ±30.98 ms)差異顯著,

(33) = ?3.68,

＜ 0.01, Cohen’

=0.73。

4 討論

本研究通過觀察tDCS作用于dlPFC前后, 健康大學生在SST任務中的行為改變。根據實驗結果可知, 陽極tDCS真刺激右側dlPFC后SSRT顯著小于偽刺激, 表明tDCS刺激右側dlPFC可以調節反應抑制能力, 與我們所提出的假設相符, 并進一步證實了dlPFC是反應抑制的重要腦區。

本研究采用tDCS陽極刺激右側dlPFC后, 被試的停止信號反應時顯著縮短。對存在多動癥癥狀的成年人分別施加陽極tDCS刺激左側dlPFC、陰極tDCS刺激左側dlPFC, 實驗中使用Stroop色詞任務和Go-Nogo對被試的行為變化進行測量, 結果發現陽極tDCS作用于左側dlPFC提高了被試在Go任務中的正確率, 即損毀被試的抑制能力, 而陰極tDCS作用于左側 dlPFC改善了被試的反應抑制(Soltaninejad, Nejati, & Ekhtiari, 2015); 對情感冷漠、缺乏同理心的人群進行陰極 tDCS刺激右側dlPFC, 并使用Go-Nogo任務測量被試的反應抑制,結果發現此類高分人群在接受刺激后反應抑制得到較好的改善, 表現在行為學水平上即 Nogo正確率的提高(Weidacke, Weidemann, Boy, & Johnston,2016)。因此, 本研究與以往的研究結果均證實了tDCS可以改變被試的反應抑制。對健康成年人進行10 Hz高頻經顱磁刺激(high-frequency repetitive transcranial magnetic stimulation, HF-rTMS)分別作用于左側dlPFC和右側dlPFC, 并使用負性情感啟動任務(Negative Affective Priming task, NAP)量化刺激前后被試對情緒信息抑制的強度, 結果發現HF-rTMS作用于右側dlPFC后, 被試對負性信息能夠進行更為有效的抑制(Leyman, De Raedt, Vanderhasselt, &Baeken, 2009); 強迫癥患者的抑制能力存在損傷,對強迫癥患者進行 rTMS治療發現, 采用 100%靜息運動閾值刺激患者的右側 dlPFC, 能夠改善被試的抑制能力(Zhou, Wang, Wang, Li, & Kuang, 2017;Nordmann, Azorina, Langguth, & Schecklmann, 2015)。與本研究結果相一致, 即通過刺激右側dlPFC能夠達到改變反應抑制的目的。目前tDCS作用于右側dlPFC以觀察被試反應抑制變化的研究匱乏, 而本研究將為物理干預技術能夠改變反應抑制能力提供了進一步的證據。不同的腦區有著不一樣的功能,不同的任務其加工機制也有所不同, 且腦區皮質興奮性的改變將會影響被試在行為任務中的表現。在本次實驗中, 從反應抑制的心理加工模型-賽馬模型看, 陽極刺激后 SSRT值的降低, 表明在右側dlPFC皮層興奮性提高后, 被試在對停止信號進行抑制時, 反應抑制的加工過程相較反應過程率先達到反應閾限, 從而導致被試成功抑制動作沖動的內在反應時間的縮短(王琰, 蔡厚德, 2010; 方菁, 朱葉, 趙偉, 張蓓, 王湘, 2013)。與以上研究相比, 本研究采用了經典范式 SST, 更為純凈的測量了反應抑制能力的變化。

與本實驗結果不同的是, 在 Davide等人一項研究中, 他們對20名健康成年人(3名男性, 17名女性)進行陽極tDCS作用于右側dlPFC及陰極tDCS作用于右側dlPFC, 刺激時長均為20分鐘, 刺激結束15分鐘后讓被試完成SST, 結果顯示兩種形式的刺激均未改善被試的反應抑制能力(Stramaccia et al., 2015)。首先,這可能與tDCS刺激時長的不同有關, 一篇關于 tDCS治療抑郁癥的 meta分析指出,tDCS刺激時長會對其作用效果產生顯著影響(Meron,Hedger, Garner, & Baldwin, 2015)。在本研究中, 刺激時長為 25分鐘, 即對右側 dlPFC腦區進行了更為持久的激活, 由此可能導致了右側dlPFC腦區出現了更為顯著的刺激效應, 進而表現在行為學上即SSRT值的降低, 即反應抑制能力的提高; 其次,可能與tDCS刺激后效應維持及消退有關, tDCS刺激后的持續效應與刺激時長、刺激強度有關, 且刺激后效應會隨著時間而消退, 但是具體消退模式還不清楚(Nitsche & Paulus, 2000)。相較于Davide等人的研究, 本研究在刺激結束后即刻讓被試完成SST,由此可能導致了兩個研究中被試行為學表現上出現差異。與Davide等人的研究相比較, 本研究探索性的研究了tDCS作用于右側dlPFC對反應抑制改善的即刻效應, 在之后的實驗中, 我們將對 tDCS效應的持續時間展開進一步的研究。此外, 對健康大學生施加10 Hz、100%靜息運動閾值的rTMS作用于左側dlPFC, 連續7天, 每天1次, 在實驗開始及結束時讓被試完成 Stroop色詞任務, 結果發現,真刺激組被試在Stroop色詞任務表現更佳, 即抑制能力得到改善(Li et al., 2017); 采用5 Hz、100%靜息運動閾值的rTMS對邊緣型人格障礙患者的左側dlPFC進行刺激, 使用巴拉特沖動性量表對患者的沖動性進行測評, 最后發現, 在接受了15次的rTMS治療后, 患者在該量表上的得分顯著下降, 沖動性降低、抑制能力改善(Reyes-López et al., 2017)。在2017年的一篇meta分析中也提到, Hz-rTMS作用于左側 dlPFC, 能夠改善強迫癥患者的抑制能力(Zhou et al., 2017)。RIN的關鍵腦區包括左側dlPFC,所以采用 rTMS作用于左側 dlPFC, 也能夠達到調節被試反應抑制的目的。在今后的實驗中, 我們將對左側dlPFC在反應抑制中的作用進行研究, 進一步探索左右側dlPFC在反應抑制能力中發揮作用的大小。

采用fMRI對右側dlPFC在反應抑制中的作用進行了研究, 他們采用Go-Nogo任務, 發現在Nogo情境下, 右側dlPFC有著顯著性的激活, 表明右側dlPFC在反應抑制中扮演重要角色(Asahi, Okamoto,Okada, Yamawaki, & Yokota, 2004); Hughes對被試在Go-Nogo任務的表現進行了相關影像學分析, 同樣發現在Nogo任務情境下, 被試的右側dlPFC呈現持續性的激活, 進一步驗證了右側dlPFC腦區與反應抑制密切相關(Hughes et al., 2014)。本實驗的結果也進一步證實了右側dlPFC在反應抑制中起重要作用。

此外, Nigg的研究指出Stroop色詞任務可能主要與認知抑制相關, 因此更多反映對分心刺激的注意控制及選擇性注意, 因此相較 Stroop色詞任務,SST能夠更為有效的測量出反應抑制能力的變化(Nigg, 2000)。一篇meta分析指出, tDCS作用于健康成年人, 并不能改善被試在數字廣度和言語流暢性任務中的表現(Horvath, Forte, & Carter, 2015),與本研究結果相一致。在本研究中, 真刺激與偽刺激后, 被試在數字廣度(倒背)及言語流暢性任務中成績均得到了提升, 介于本實驗中被試在 tDCS刺激前后完成數字廣度和言語流暢性任務, 間隔時間很短, 所以可能出現了練習效應, 由此導致了該實驗結果。

人類需要在錯綜復雜的生活環境中, 對正確的行為做出反應, 并對不正確的或不必要的行為進行抑制, 這樣才能適應環境, 更好的做出執行, 并抑制不必要的行為, 進而更好的生存下來, 因此反應抑制能力與我們的生活息息相關。本研究的結果顯示, 在神經機制水平上, 右側 dlPFC腦區與反應抑制能力緊密相關。已有的相關臨床研究表明, tDCS對抑郁癥、癲癇類疾病、腦卒中后神經康復、失語癥、帕金森等多種疾病有效。根據此次實驗的結果,提示tDCS在健康人群的執行功能中也有很大的應用價值。相關臨床證據表明, 反應抑制能力的缺損存在于多類疾病中, 如強迫癥、多動癥等。tDCS本身具備的方便、經濟、無創、無副作用等優勢, 對于提高病患的反應抑制能力將有積極的應用前景。

本研究雖然為右側dlPFC在反應抑制中的作用提供了重要證據, 但介于在本研究中并未對左側dlPFC在反應抑制中發揮的作用做探討, 所以無法說明左右側dlPFC在反應抑制中哪一側起了更大的作用, 為了進一步探究以上的問題, 將來的研究方向可進一步研究陽極tDCS作用于左側dlPFC對于反應抑制的影響, 并結合神經電生理技術、功能磁共振成像等技術, 更為深入綜合的探究反應抑制的神經機制。其次, 本研究樣本量較小, 且招募的被試均是安徽醫科大學在校學生, 從而使本研究結果推論到其他群體中缺乏可信度, 因此, 在今后的研究中, 我們將就此方面做出改善, 增大樣本量, 以及豐富群體的多樣性。

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