經顱直流電刺激背外側前額葉調節大學生情緒識別

甘甜，宋偉，鄭燕，周炎振

(浙江理工大學心理學系 心理學實驗中心，杭州 310018)

1 前言

情緒識別是指個體通過言語、表情、肢體動作和場景等信息對情緒進行識別[1]，是社會交往中一項基本心理能力[2-3]。然而，研究表明我國大學生的情緒識別能力普遍較弱[4]?；谇榫w識別的重要作用，許多研究者試圖探索能夠提高情緒識別的方法。隨著認知神經科學技術的發展，近年來，經顱直流電刺激(Transcranial Direct Current Stimulation，tDCS)技術在抑郁、焦慮等情緒障礙治療中得到廣泛應用，被認為是一種有效的情緒調節工具。但是，tDCS對健康成人尤其是健康大學生情緒識別的調節效應尚不清楚。本研究旨在考察tDCS在健康大學生情緒識別干預中的應用。

經顱直流電刺激是一種利用微弱的直流電調節大腦皮層神經細胞活動的技術。研究發現tDCS陽極刺激能提高運動皮層神經元的興奮性，陰極刺激則降低其興奮性。在此基礎上，研究者們開始嘗試使用該技術來調控注意、記憶、決策和情緒等各種基礎和高級的認知加工[5-6]。同時，該技術也被廣泛應用于抑郁癥、焦慮癥和精神分裂癥等心理障礙的臨床治療[7]。

臨床研究中，病理性和腦成像研究都發現背外側前額葉(Dorsolateral Prefrontal Cortex,DLPFC)在情緒加工中具有重要作用。例如，研究發現重癥抑郁癥患者表現出偏好不愉快信息和遠離愉快信息的認知偏差，這種傾向可能與前額葉和杏仁核的神經網絡激活的改變有關[8-9]。一項功能性磁共振成像(Functional Magnetic Resonance Imaging,fMRI)研究也發現，相比于識別中立場景，抑郁癥患者在識別不愉快場景時其DLPFC的激活減少，而杏仁核激活增強[10]。有研究發現DLPFC與情緒識別可能存在某種聯系[11]。Godinho等人采用腦電圖(Electroencephalographic,EEG)進行研究，發現DLPFC參與了疼痛的情緒調節[9]。還有研究表明DLPFC參與了和面孔表情識別相關的認知任務[12]。上述結果都表明DLPFC同杏仁核等皮層下腦結構一樣，是情緒識別腦網絡的重要部分[13]，這為采用tDCS刺激DLPFC以調控情緒識別加工提供了實證依據。

研究表明，tDCS陽極刺激雙側DLPFC都能降低個體對負性情緒的體驗和增強對正性情緒的識別。例如，有研究發現tDCS陽極刺激左側DLPFC(l-DLPFC)后，被試對負性圖片的不適感評分下降[14-15]，同時，研究還發現tDCS陽極刺激l-DLPFC能提高個體對正性情緒面孔的識別[3,16]。此外，在臨床上已經證實tDCS刺激l-DLPFC能夠顯著改善抑郁癥患者的癥狀[17-19]。以上研究表明l-DLPFC是情緒識別的重要腦區。然而，Yang等人采用情緒面孔搜索識別范式，發現tDCS陽極刺激右側DLPFC(r-DLPFC)也能夠顯著提高被試對高興表情的識別，表明r-DLPFC在情緒識別加工中也發揮了關鍵作用[20]。雖然tDCS刺激雙側DLPFC都有可能調節情緒識別，但是刺激l-DLPFC和r-DLPFC的調節效果哪個更好尚未可知。對這個問題的探索將有助于進一步理解情緒識別的神經機制，也對臨床上使用tDCS治療情緒障礙有所啟發。

綜上所述，本研究采用情緒面孔搜索識別任務[20]，使用tDCS對大學生被試的雙側DLPFC分別進行陽極刺激，以考察tDCS刺激DLPFC是否能有效調節健康大學生的情緒識別加工，并進一步探索究竟刺激哪一側效果更好。我們假設tDCS刺激DLPFC能夠調節情緒識別。基于已有研究發現[15,16,20]，我們預期tDCS陽極刺激雙側DLPFC對情緒面孔搜索識別的影響存在差異：與假刺激條件相比，tDCS陽極刺激l-DLPFC能夠增強所有情緒面孔的搜索識別，而陽極刺激r-DLPFC能夠增強對愉悅面孔的搜索識別。

2 對象與方法

2.1 對象

公開招募在校大學生被試共63人，其中l-DLPFC陽極刺激組20人，男性12人；r-DLPFC陽極刺激組21人，男性11人；假刺激組21人，男性10人；平均年齡為20.39±1.97歲。所有被試均無癲癇、腦外傷等病史，均為右利手，視力或矯正視力正常，身心健康，實驗前無服用含咖啡因或精神類藥物。實驗結束后均給予參與者一定被試費作為報酬。

實驗前一天進行利手和tDCS安全篩查，并使用共情[21]、貝克焦慮[22]和貝克抑郁問卷[7,23]測量被試的情緒狀態，并簽署知情同意書。本研究得到了浙江理工大學理學院心理學實驗倫理委員會的批準。

2.2 實驗材料

從中國化面孔情緒庫[24]中選取高興、悲傷和憤怒面孔各36張，中性面孔108張，每種面孔男女各半，認可度和強度見表1。正式實驗使用的情緒面孔刺激材料是由三張中性面孔與一張情緒面孔(高興or憤怒or悲傷)組成的四格圖片，每張情緒面孔在四個位置出現的次數均等。圖片的總視角為5.4°，其中每張面孔的視角為2.5°，照片間距離為0.4°(如圖1)。

圖1 實驗材料示例

表1 情緒面孔圖片認可度與強度(M±SD)

2.3 實驗流程

本實驗為3(刺激類型：l-DLPFC vs.r-DLPFC vs.假刺激)×3(情緒類型：快樂 vs.悲傷 vs.憤怒)混合設計，被試間變量為刺激類型，被試內變量為情緒類型。因變量為面孔情緒識別的正確率和正確反應的反應時。實驗所用電腦屏幕的尺寸為19英寸，分辨率為1024×768，屏幕的刷新頻率為60Hz；實驗程序使用E-prime2.0編寫。

練習結束后開始tDCS刺激，告訴被試保持靜息狀態10 min，同時接受tDCS刺激，10 min后被試開始在接受刺激的同時完成8 min的情緒面孔搜索識別任務。實驗采用block設計：高興和悲傷面孔組合為一組，憤怒和高興面孔組合為一組，憤怒和悲傷面孔組合為一組。每個block含72張圖片材料，圖片位置平衡，所有圖片材料呈現1次，共72個trail。每完成1組block之后，被試可以休息60 s。block的順序在被試間平衡。每個trail的流程見圖2所示：首先在屏幕中心出現500 ms的注視點“+”，隨后，呈現情緒面孔圖33 ms，而后出現空屏，空屏和刺激呈現時間相加不超過3000 ms，同時要求被試盡快準確地判斷剛剛看到的四個面孔中存在的是哪種情緒面孔，并通過小鍵盤右手食指和中指進行按鍵反應，按鍵設置為4、5、6鍵分別對應三種情緒，按鍵設計被試間平衡，每次判斷需使用食指和中指進行按鍵反應。

圖2 試驗流程圖

2.4 經顱直流電刺激參數及方法

tDCS儀器為Starlab研發的，NE(Neuroelectrics)公司生產的Starstim經顱直流電刺激儀，電極片為5×5cm2的海綿電極。參數設置參考Yang等人的研究[20]，根據EEG 10/20系統，l-DLPFC組的被試將陽極置于F3上，陰極置于FP2； r-DLPFC組的被試將陽極置于F4上，陰極置于FP1。將tDCS電流強度設置為1.5 mA，陽極刺激條件下，刺激總時間為18 min左右，其中靜息狀態刺激10 min，情緒面孔搜索識別任務持續刺激8 min；假刺激條件下，電流在30s爬坡到1.5mA后，立即下坡，30s后關閉設備(單盲設計)。

3 結果

3.1 情緒面孔識別正確率

三組被試在共情、貝克焦慮和貝克抑郁問卷下的得分均無顯著差異(ps> 0.05)，表明三組被試在情緒狀態上是相似的，具有同質性。

t檢驗結果顯示所有實驗條件下的正確率均顯著大于隨機水平50%(ps< 0.01)，表明被試并沒有隨機猜測，實驗數據是有效的(見表2)。采用SPSS 24.0對正確率進行3(l-DLPFC vs.r-DLPFC vs.假刺激)×3(快樂 vs.悲傷 vs.憤怒)的重復測量方差分析，結果表明情緒主效應顯著，快樂情緒識別的正確率最高(74%±9%)，憤怒情緒識別的正確率最低(61%±11%)，F(2,61)=24.70，P<0.001，η2=0.295；其它主效應和交互效應不顯著(ps> 0.05)。

表2 三種tDCS刺激條件下各類情緒面孔識別的正確率(M±SD)(%)

上述結果表明，我們所預期的tDCS陽極刺激對情緒識別正確率的影響并未顯著，即備擇假設H1不成立，為了進一步探究數據結果對本研究的H1和零假設H0(即“tDCS陽極刺激DLPFC不會影響情緒識別正確率”的假設)的支持強度，我們采用JASP 0.13軟件對各條件下的正確率進行了貝葉斯重復測量方差分析[25]，結果見表3。表3表明：情緒主效應的BF10值是1.04e+7，根據貝葉斯因子的決策標準，該結果表明有極強的證據支持H1；刺激主效應的BF10值是0.13，表明有中等程度的證據支持H0；情緒和刺激主效應之和的BF10值是1.60e+7，表明與單獨的情緒主效應相比，當加入刺激的效應時，數據對H1的支持降低了大約6.47 倍(1.04e+8/1.60e+7)；在此基礎上，當把情緒和刺激的交互作用也增加到模型中時，BF10值是872475.06，表明有極強的證據支持H1，但和單獨的情緒主效應相比，支持程度降低了大約118.63倍(1.04e+8/872475.06)。

表3 各條件下正確率的貝葉斯重復測量方差分析的模型比較結果

3.2 情緒面孔識別反應時

各實驗條件下情緒面孔識別反應時均值和標準差見表4。重復測量方差分析結果表明情緒主效應顯著，其中快樂反應時最短(809.53±153.24ms)，憤怒反應時最長(997.13±199.71 ms)，F(2,61)=80.57，P<0.001，η2=0.577；刺激類型主效應顯著，r-DLPFC的反應時(992.10±36.86 ms)顯著長于l-DLPFC(851.95±37.77 ms)，F(2,61)=3.60，P= 0.034，η2=0.109；交互作用不顯著(P> 0.05)，見圖3。

圖3 三種tDCS刺激條件下情緒面孔識別的反應時

表4 三種tDCS刺激條件下各類情緒面孔識別的反應時(M±SD)(ms)

對各條件下的反應時進行貝葉斯重復測量方差分析，結果見表5：情緒主效應的BF10值是1.12e+20，根據貝葉斯因子的決策標準，該結果表明有極強的證據支持H1；刺激主效應的BF10值是2.40，有較弱的證據支持H1；情緒和刺激主效應之和的BF10值是2.31e+20，表明與單獨的情緒主效應相比，當加入刺激的效應時，數據對H1的支持提高了大約2.07倍(2.311/1.115)；在此基礎上，當把情緒和刺激的交互作用也增加到模型中時，BF10值是2.17e+19，表明有極強的證據支持H1。

表5 各條件下反應時的貝葉斯重復測量方差分析的模型比較結果

3.3 被試副作用評價

三種刺激條件下均出現微弱的刺痛、發癢和疲勞的情況，對三組被試副作用評價總分進行方差分析發現無顯著差異(F=0.13，P= 0.881)。

4 討論

本研究采用視覺搜索范式考察了大學生的情緒面孔的搜索識別加工，并通過tDCS分別刺激l-DLPFC和r-DLPFC，以探究提高l-DLPFC和r-DLPFC的皮層興奮性對情緒感知加工的影響。結果發現，不同情緒面孔搜索識別的正確率和反應時不同：在快速情緒面孔搜索識別任務中，被試對快樂情緒面孔的搜索識別正確率最高、反應時最短，搜索識別憤怒情緒面孔的正確率最低、反應時最長；另外，與假刺激相比，陽極刺激雙側DLPFC并未對快樂、悲傷和憤怒情緒面孔的搜索識別產生不同影響；與陽極刺激r-DLPFC條件相比，陽極刺激l-DLPFC條件下，被試在情緒面孔搜索識別任務中的反應時顯著縮短，提示與刺激r-DLPFC相比，刺激l-DLPFC對情緒感知的影響可能更大。本研究首次對tDCS分別陽極刺激l-DLPFC和r-DLPFC調節情緒加工進行了直接的比較，該結果對采用tDCS干預和調節健康大學生的情緒加工研究具有一定的啟發和參考價值。

本研究在正確率和反應時上均發現了情緒面孔類型的主效應，即在快速的情緒面孔搜索識別任務中，被試對快樂情緒面孔的搜索識別正確率最高、反應時最短，搜索識別憤怒情緒面孔的正確率最低、反應時最長。這與以往研究的結果是一致的，如Calvo等人使用真實面孔照片進行視覺搜索任務發現，相較于憤怒面孔，被試更容易對快樂面孔進行定位，而且被試的第一眼掃視集中在快樂面孔上的幾率也更大[26]；譚群等人采用視覺搜索范式發現，在對自我不同情緒效價面孔的搜索識別中，對自我快樂表達的搜索快于其它情緒表達，正確率也較高[27]。這些結果表明，情緒面孔的視覺搜索過程中存在快樂情緒面孔優勢效應。Nummenmaa等人認為這種優勢效應可能與快樂情緒的獨特性有關，快樂面孔是唯一明確表示愉快的情緒類型，而其它的情緒面孔分別表示負性(憤怒、恐懼、悲傷和厭惡)和模糊(驚訝)的情緒類型，所以人們對快樂情緒面孔的識別正確率最高、反應時最短[28]。

本研究在反應時上發現了tDCS刺激的主效應，主要表現為l-DLPFC條件下個體的反應時顯著短于r-DLPFC條件，提示與tDCS陽極刺激r-DLPFC相比，刺激l-DLPFC對情緒識別加工的影響可能更大。與該結果相似的是，研究發現使用tDCS陽極刺激l-DLPFC能提高被試對積極面孔的選擇性注意[29]和對情緒面孔的識別績效[30]。雙側DLPFC的刺激效應差異可能與它們在情緒加工任務中的不同作用有關，腦成像研究發現l-DLPFC的活動增強是有效調節情緒注意的關鍵[31]，而r-DLPFC的激活可能與情緒注意異常受損有關[32]。此外，無論在正確率還是反應時上，本實驗都未發現tDCS陽極刺激與假刺激存在顯著差異，表明對于健康大學生而言，與假刺激相比，tDCS陽極刺激DLPFC可能并不能對其情緒加工產生顯著影響。Horvath等人采用元分析方法總結了59個單次tDCS刺激的實驗結果，認為單次的tDCS刺激對健康個體的記憶、執行功能、風險決策等認知加工并無顯著影響[33]。Dedoncker等人的元分析結果表明tDCS對健康成人和疾病患者的影響可能存在差異，陽極tDCS刺激DLPFC能夠縮短健康成人的反應時而對正確率沒有顯著影響，相反，陽極tDCS刺激疾病患者的DLPFC主要會影響其正確率而對反應時沒有顯著影響[34]。這些結果表明，tDCS刺激DLPFC對健康個體認知加工的影響是比較復雜的，單次刺激往往無法得到顯著的效應。未來研究可以考慮多次連續的tDCS刺激，并將tDCS刺激與認知行為訓練相結合[35]，以期得到顯著的調節效應。

與我們的預期不一致的是，本實驗的結果表明情緒類型與tDCS刺激的交互作用并不顯著，無論在哪種情緒面孔條件下，與刺激r-DLPFC相比，刺激l-DLPFC條件下的反應時都顯著更短了。Sergerie等人使用fMRI技術探究了前額葉在情緒面孔的記憶和識別中的作用，結果發現不論何種面孔情緒，左側前額葉皮層的激活僅與面孔的成功編碼有關，說明l-DLPFC在情緒面孔加工中可能發揮的是一種更加普遍性的整合性的作用，因此，采用tDCS陽極刺激l-DLPC提高的是情緒整合功能，對于所有情緒均起作用[12]。然而，本研究的結果與以往tDCS的相關結果并不一致：Yang等人的研究中發現陽極tDCS刺激DLPFC顯著提高了積極情緒面孔的感知，但并不影響消極情緒面孔的加工[20]。Penolazzi等人發現tDCS刺激雙側的額顳區域會對情緒情景的回憶造成影響，具體而言，左陰右陽的tDCS刺激選擇性地促進了正性圖像的回憶，而左陽右陰的tDCS則促進了負性圖像的回憶[36]。我們認為本研究并未發現情緒類型與tDCS刺激的交互作用的原因可能與任務所涉及的認知加工以及參考電極的放置位置有關。首先，在任務設置上，本研究采用了面孔搜索識別任務，該任務中既包括了注意搜索，又包括了情緒識別。左側額頂網絡通過自上而下的注意參與面孔空間搜索的加工，因此tDCS刺激DLPFC、尤其是l-DLPFC會對注意搜索產生影響，這種注意是泛化的，而不是針對某一種特定情緒的，所以tDCS刺激與情緒類型的交互作用不顯著。針對這一不足，未來研究可以通過設計不同的任務以分離情緒面孔搜索和情緒識別加工，并增加非情緒的注意任務，進一步考察DLPFC對情緒搜索和識別加工的不同影響，并分析DLPFC是否對情緒性的注意加工具有特異性的影響。其次，本研究所得到的陰性結果可能還與tDCS的電極放置位置有關。實驗中，我們將tDCS的陰極電極分別放置于FP1和FP2電極，該刺激位置可能會抑制眶額葉皮層(Orbitofrontal Cortex,OFC)的活動。有研究表明OFC、DLPFC與內側前額葉皮層(medial prefrontal cortex,mPFC)共同組成情緒中樞通路，并在情緒加工中起著不同作用[37-38]，因此OFC的激活受到削弱可能會抵消tDCS陽極刺激對DLPFC的興奮作用，導致無法觀測到陽極刺激DLPFC對情緒加工的顯著影響。針對這一問題，在將來的研究中，可以改變陰極刺激的放置位置，將陰極放于非皮質區或其它與實驗任務無關的腦區，例如臉頰、肩膀等，并結合腦電、磁共振等腦成像技術進一步地探測tDCS所刺激到的準確區域。

5 結論

首次直接比較了tDCS陽極刺激l-DLPFC和r-DLPFC對健康大學生情緒面孔識別的影響，其結果對tDCS在健康人群情緒調節中的應用具有重要意義，也對該技術在抑郁、焦慮等情緒障礙治療中的使用有所啟發。本研究主要得到以下結論：(1)不同類型的情緒面孔搜索識別的正確率和反應時不同，在快速的情緒面孔搜索識別任務中，被試對快樂情緒面孔的搜索識別正確率最高、反應時最短，搜索識別憤怒情緒面孔的正確率最低、反應時最長。(2)與假刺激條件相比， tDCS分別陽極刺激l-DLPFC、r-DLPFC對搜索識別不同情緒面孔的影響不存在顯著差異。(3)在情緒面孔搜索識別任務中，tDCS陽極刺激l-DLPFC和r-DLPFC的效應存在顯著差異：與刺激r-DLPFC相比，tDCS陽極刺激l-DLPFC條件下的情緒面孔搜索識別的反應時顯著更短。