《Frontiers in Human Neuroscience》：Transcutaneous vagus nerve stimulation during semantic verbal fluency tasks: a high-density diffuse optical tomography study
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引言：经皮耳迷走神经刺激（transcutaneous auricular vagus nerve stimulation, taVNS）是卒中后语言恢复的一种有前景的辅助治疗。目前尚无已确立的生物标志物用于评估 taVNS 的神经调控效应。高密度弥散光学断层
引言：经皮耳迷走神经刺激（transcutaneous auricular vagus nerve stimulation, taVNS）是卒中后语言恢复的一种有前景的辅助治疗。目前尚无已确立的生物标志物用于评估 taVNS 的神经调控效应。高密度弥散光学断层成像（high-density diffuse optical tomography, HD-DOT）提供了一种任务相关皮层激活的无创标志物。研究人员探索 HD-DOT 用于确定语义言语流畅性任务（semantic verbal fluency task, VFT）期间 taVNS 的效应。方法：二十四名健康成人参与者在块设计中执行语义 VFT，同时在整个双侧前额叶皮层记录 HD-DOT。参与者先接受假（耳垂）taVNS，随后接受主动（耳屏）taVNS。统计分析在组水平进行，包括条件内（任务–基线）和条件间（主动 taVNS 与假 taVNS）比较，采用节点水平和分区方法。结果：二十一名参与者（87.5%）达到信号质量阈值。在未校正水平，主动和假 taVNS 期间均观察到左侧额下回三角部任务相关活动显著增加。多重比较校正后，假刺激期间左侧外侧眶额皮层观察到显著增加。主动与假 taVNS 之间未观察到氧合血红蛋白（oxygenated haemoglobin, HbO）浓度增加的显著差异。讨论：在语义 VFT 期间同步记录 taVNS 的脑活动可行且耐受良好。任务相关激活见于与语言产生和决策相关的脑区。通过这项探索性工作，健康成人未表现出 taVNS 对额叶皮层激活的任何显著增强。未来研究应在临床队列中结合全脑 HD-DOT 和 taVNS。
研究背景
失语症（aphasia）是一种获得性语言障碍，表现为产生和/或理解语言的困难，与左半球损伤相关。约30%的卒中幸存者发生失语症，并且它是卒中后残疾的主要原因之一。失语症恢复程度因人而异，30–43%的患者长期仍受影响。除言语和语言治疗外，英国国家卫生服务体系（NHS）尚无辅助治疗可改善长期恢复。迷走神经刺激（vagus nerve stimulation, VNS）与康复配对可增强卒中后上肢运动恢复。针对耳部迷走神经耳支的非侵入性或经皮迷走神经刺激（taVNS）在卒中后运动和平衡恢复中显示出初步证据，且多项正在进行的试验正在研究 taVNS 用于卒中运动和语言恢复。鉴于 VNS 可在言语流畅性任务（VFT）期间增加脑血流，且 taVNS 可增强第二语言词汇习得，taVNS 在失语症恢复中具有临床潜力。
临床实施 taVNS 用于语言恢复的一个关键障碍是，需要通过可扩展的生物标志物证明言语期间的皮层参与。此类生物标志物可使临床医生监测神经调控，并支持个体化校准 taVNS 参数以优化失语症干预效果。功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging, fMRI）研究显示，taVNS 可激活迷走神经的脑干投射，并可调节皮层额顶网络。然而，fMRI 的成本和禁忌证使其难以用于追踪 taVNS 的纵向反应，并且 fMRI 与许多电子设备不兼容，使同步 fMRI 和非侵入性脑刺激具有挑战性。脑电图（electroencephalography, EEG）虽能捕捉 taVNS 诱导神经调控的可行标志物，但易受肌肉和运动伪迹影响，在言语期间记录困难。功能性近红外光谱（functional near-infrared spectroscopy, fNIRS）是一种便携工具，可评估神经活动，克服 fMRI 的部分障碍。fNIRS 使用近红外光测定皮层氧合血红蛋白（oxygenated haemoglobin, HbO）和脱氧血红蛋白（deoxygenated haemoglobin, HbR）浓度。传统系统为低密度，而高密度 fNIRS（high-density fNIRS, HD-fNIRS）设备包含密集排列的源-探测器，结合解剖先验重建可通过弥散光学断层成像（diffuse optical tomography, DOT）产生三维重建，空间分辨率接近 fMRI。既往工作已使用 HD-DOT 研究 taVNS 在运动和认知任务中的效应，但尚无研究使用 HD-DOT 评估言语流畅性任务。语义 VFT 可激活左额叶和颞叶区域，即 Broca’s area，在健康单语者中高度左偏侧化，并常用于神经认知测试。本研究旨在评估健康志愿者在语义 VFT 中 taVNS 的皮层和行为效应。鉴于既往观察到的 taVNS 神经调控效应，研究人员假设主动刺激时 VFT 期间 HbO 浓度增加更大，尤其在包括 Broca’s area 的左额区。该研究将为健康人群中 taVNS 神经调控生物标志物提供见解，并作为未来临床人群预期效应的基线。
研究人员开展的研究、结论及意义
研究人员招募健康成人，采用被试内块设计，在假 taVNS 后给予主动 taVNS，并同步使用 HD-DOT 记录双侧前额叶皮层活动，同时执行语义 VFT。研究结论为：同步记录 taVNS 期间脑活动可行且耐受良好；HD-DOT 可检测任务相关激活，未校正水平定位于左 Broca’s area；但在多重比较校正后，未发现主动 taVNS 相比假 taVNS 对任务表现或 HbO 浓度变化具有显著增强。该工作为未来在临床队列中结合全脑 HD-DOT 和 taVNS 评估获得性语言障碍奠定了基础。
主要关键技术方法
样本来源为 University of Sheffield 员工和学生便利抽样，数据采集于 University of Sheffield 安静房间或 Royal Hallamshire Hospital Biomedical Research Centre。研究纳入24名健康成人，最终21名用于节点水平分析。关键技术包括：LUMO 高密度连续波 fNIRS 系统，12 tiles 双侧前额叶阵列，多距离重叠通道；Nurosym
TM 设备递送 taVNS，25 Hz、脉宽250 μs，假刺激左耳垂、主动刺激左耳屏，强度为感知阈值与疼痛阈值中点；语义 VFT 块设计；Homer2 和 DOT-HUB 预处理；MNI-152 模板重建；节点水平和 AAL2 分区分析，配对 t 检验及假发现率（false discovery rate, FDR）校正。
研究结果
3.1 参与者特征：2025年4月至7月招募参与者。节点水平分析中，3名参与者因少于三分之一通道满足修剪标准而被排除，最终21名参与者（87.5%）达到信号质量阈值。最终队列年龄为24（3.2）岁，女性12名（57.1%），男性9名（42.9%），多数为白人，18名以英语为第一语言，18名右手优势。
3.2 taVNS 副作用：假刺激强度范围为11.2–24.8 mA（M=18.7 mA，SD=4.2），主动刺激强度范围为13.6–25.6 mA（M=19.5 mA，SD=4.3），条件间无显著差异。20份调查中，10名参与者报告刺激期间不适，但均为轻度，无参与者退出，且无副作用持续至刺激后。
3.3 任务表现：2名参与者因缺失口头反应被排除，N=22。假刺激条件下平均生成词数为20.74（SD=1.45），主动刺激条件下为21.78（SD=1.74），配对样本 t 检验无显著差异。探索性 Pearson 相关分析发现，仅在主动刺激时，左前眶回（r=0.53，95% CI [0.13, 0.78]，n=21，p=0.014）和左背外侧上额回（r=0.48，95% CI [0.08, 0.75]，n=22，p=0.021）的区域激活（ΔHbO）与 VFT 表现呈正相关，但这些关联未通过 FDR 校正。
3.4 组平均图：组水平 HbO 和 HbR 激活图显示，假刺激和主动刺激条件下任务相关活动的空间分布相似，均表现为广泛双侧额叶 HbO 增加，但假刺激条件下 HbO 浓度似乎更高；HbR 图显示预期的相反浓度变化。
3.5 taVNS 对 HD-DOT 影响的统计分析：通过条件内节点水平配对 t 检验比较任务与基线，假刺激条件下参与者表现出更弥漫的双侧激活，而主动刺激条件下激活更聚焦于左额下回（inferior frontal gyrus, IFG）。条件间图显示双侧相对激活降低簇，尤其位于左后额区。然而，无节点水平差异通过 FDR 校正。
3.6 分区分析：将重建数据按 AAL2 图谱分区并计算敏感区平均 HbO 时间序列。假 taVNS 条件下，未校正水平显示左 superior frontal gyrus_2、左 middle frontal gyrus_2、左 IFG 三角部和左 lateral orbital gyrus 任务相关 HbO 显著增加；FDR 校正后，左 lateral orbital gyrus 的增加仍显著。主动 taVNS 条件下，左 IFG 三角部未校正水平显著增加，但未通过 FDR 校正。条件间比较显示，左 lateral orbital gyrus 在假刺激下的 HbO 增加显著大于主动刺激，但 FDR 校正后无区域在主动与假条件间存在显著差异。
讨论部分总结
4.1 语言功能神经影像：本研究结果与既往健康人 fMRI 研究一致，即左 IFG 持续激活。由于系统仅记录前额叶皮层阵列，且近红外光穿透脑组织不超过约2 cm，未捕获 fMRI 研究中涉及语言处理和决策的皮层下或颞叶区域，限制了对 taVNS 语言调控的全面评估。假任务中左 superior、middle 和 inferior frontal gyrus 的 HbO 显著增加未通过多重比较校正，可能与样本量、受试者特异性激活模式变异以及 HD-DOT 与 fMRI 分析方法差异有关。fNIRS 研究显示，健康人 VFT 期间左前额叶 HbO 增加，但左偏侧化程度存在变异性。失语症患者在命名任务中左 IFG、middle temporal gyrus 和 superior temporal gyrus 激活更大，左 supramarginal gyrus 的 HbO 潜伏期与表现相关。Gilmore et al. 的研究发现，失语症患者在语义特征分析和图片命名任务中语言网络外区域激活增加。使用 fNIRS 研究激活时，失语症患者可能涉及更多领域一般区域，HbO 变化速度和强度可作为刺激疗效的有用标志物。
4.2 taVNS 功能影像：fMRI 研究显示 taVNS 相关激活不一致，可能与不同刺激器和刺激设置有关。常见激活增加区域包括左前额叶、岛叶（左侧、双侧），海马激活降低，其他区域包括蓝斑和孤束核等迷走神经脑干投射。这些研究考察的是刺激直接效应，而非 taVNS 任务相关调节；这对 VNS 神经可塑性范式很重要，因为该范式将刺激与特定动作配对以促进任务特异性可塑性。fNIRS 比 fMRI 更适合在自然情境下评估言语产生，并允许同时使用 taVNS 等临床电子设备。既往 fNIRS 与 taVNS 研究很少，且无研究使用 VFT 表现作为结局指标。一项使用低密度11通道 fNIRS 的研究在植入 VNS 的癫痫患者中发现，VNS 与 VFT 配对时额叶 HbO 增加大于单独 VNS，说明在任务范式中评估神经调控的重要性。本研究未显示刺激相关血流反应增加，可能与队列差异有关，包括高密度与低密度 fNIRS、健康志愿者与癫痫患者、非侵入性与侵入性 VNS。健康志愿者 VFT 的血流动力学反应可能已优化，无法被 taVNS 急性增强，但需进一步研究。
4.3 局限：本研究未使用受试者特异性 HD-DOT 与头部解剖/形状配准，可能在小样本中稀释组水平比较；标准化帽放置和同一 session 内被试内比较可部分抵消该局限。由于 taVNS 可能存在持续或延迟效应，未能平衡条件顺序：主动 taVNS 任务总是在假 taVNS 任务之后。这防止了 taVNS 的 carryover 效应并确保同一参与者帽位置一致，但存在潜在顺序效应，包括练习效应/疲劳，可能减弱任务相关激活。左 lateral orbitofrontal gyrus 在假（第一次）任务中增加而在主动 taVNS（第二次）任务中未增加，可能与此有关；主动刺激条件下激活降低也可能反映完成假试验后的疲劳或脱离。未来研究应调查 VFT 试验次数对任务激活和表现的影响，以区分刺激效应与疲劳。研究未考察不同刺激幅度、频率、持续时间、解剖位点（cymba concha 与 tragus）和刺激侧别的影响。cymba concha 的迷走神经支配相对 tragus 更多，使用该位点可能产生更大神经调控效应并被 HD-DOT 检测到，但不同刺激位点的效应差异存在争议。有证据表明侵入性 VNS 的电流幅度和频率与反应之间呈倒 U 型关系，双侧 taVNS 对皮层激活的影响相比单侧刺激仍研究不足。未来使用 HD-DOT 系统调节刺激参数可确定特定因素是否调节血流动力学反应以及解剖位点是否影响该反应。分析考虑的是任务窗与基线平均激活差异；随着 HD-DOT 数据分析进展，未来可采用广义线性模型。最后，队列混合了左利手和右利手个体，并包括部分英语非第一语言者，因此语义 VFT 相关激活可能未在参与者中均匀定位。
研究结论
这项探索性研究调查了 taVNS 对言语流畅性任务期间任务相关 HD-DOT 记录的脑活动和表现的影响，以评估该方法未来用于临床人群研究的潜力以及神经调控证据。虽然 HD-DOT 能够检测额叶语言区域的任务相关激活，但研究人员在多重比较校正后未发现神经调控证据。研究人员推测，这种非显著差异反映了样本人群（即健康队列）、小样本量和研究设计限制。然而，taVNS 急性效应的真实缺失仍有可能，值得进一步研究。这项工作为未来使用 HD-DOT 评估获得性语言障碍（如卒中后失语症）个体以及研究非侵入性脑刺激奠定了基础。
