《Experimental Brain Research》：Transcutaneous auricular vagus nerve stimulation during a 3-back task: a high-density functional near-infrared spectroscopy study
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研究人员对22名健康成人（女性12名，男性10名）在区块设计中执行3-back任务，同时使用36个光源和48个探测器（共1728个通道）记录双侧前额叶皮层的高密度功能性近红外光谱（HD-fNIRS）。第一次任务测试中给予假刺激（耳垂）经皮迷走神经刺激（tVNS
研究人员对22名健康成人（女性12名，男性10名）在区块设计中执行3-back任务，同时使用36个光源和48个探测器（共1728个通道）记录双侧前额叶皮层的高密度功能性近红外光谱（HD-fNIRS）。第一次任务测试中给予假刺激（耳垂）经皮迷走神经刺激（tVNS），第二次任务测试中给予主动刺激（耳屏）tVNS。采用节点水平和区域方法进行组水平分析（任务-基线）和测试间比较（主动tVNS vs. 假tVNS）。在主动和假tVNS条件下，任务相关氧合血红蛋白（HbO）增加见于右侧背外侧额中回、左侧额下回和右侧外侧眶额皮层；双侧上内侧额回和内侧眶额皮层观察到HbO减少；假刺激与主动刺激间未见显著差异。同步记录HD-fNIRS与3-back任务及并发tVNS是可行且耐受良好的，在外侧额叶区域观察到稳健的任务相关激活。在当前使用的刺激参数下，未观察到皮质活动或行为表现的主动-假刺激显著差异，但由于固定顺序设计可能引入疲劳或习惯化效应，该发现应谨慎解读。HD-fNIRS可用于未来临床队列的工作记忆和神经调控研究。
**论文解读：经皮耳迷走神经刺激对工作记忆任务皮质活动的影响——一项高密度功能性近红外光谱研究**
**研究背景与问题**
工作记忆（working memory）是短期存储和操作信息的能力，对目标导向行为和决策至关重要。在轻度认知障碍（mild cognitive impairment, MCI）等神经系统疾病中，工作记忆受损，且与生活质量下降相关。经皮迷走神经刺激（transcutaneous vagus nerve stimulation, tVNS）作为一种有前景的神经调控技术，可通过脑干核团调节胆碱能、去甲肾上腺素能和5-羟色胺能信号通路，先前研究显示其可改善健康青年的工作记忆，并支持运动学习和语言学习。然而，监测tVNS对认知任务影响的挑战在于缺乏迷走神经激活的稳健生物标志物。功能性磁共振成像（fMRI）虽能显示tVNS激活迷走神经的脑干和皮质投射，但电子设备与扫描仪磁场不兼容，使得同时进行认知任务和非侵入性脑刺激较为困难。高密度功能性近红外光谱（high-density functional near-infrared spectroscopy, HD-fNIRS）利用近红外光测量氧合血红蛋白（HbO）和脱氧血红蛋白（HbR）浓度的变化，可在更生态有效的环境中进行，并与非侵入性脑刺激兼容。既往尚无研究确定tVNS能否在工作记忆任务中调节皮质激活。为此，研究人员开展了这项单盲先导研究，旨在评估耳屏tVNS能否改善N-back任务表现并改变前额叶皮质活动（通过HD-fNIRS评估）。论文发表在《Experimental Brain Research》。
**主要技术方法**
研究人员采用受试者内区块设计，通过便利抽样从谢菲尔德大学员工和学生中招募22名健康成人（女性12名，男性10名，排除有HD-fNIRS或tVNS禁忌症者）。使用高密度连续波fNIRS系统（LUMO，Gowerlabs公司，英国），在双侧前额叶皮层阵列中放置12个磁片，共36个光源和48个探测器（约464个10–42.5 mm通道）。tVNS由Nurosym设备（Nurosym公司，英国）递送，频率25 Hz，脉宽250 μs；主动刺激施加于左耳屏，假刺激施加于左耳垂（缺乏迷走神经支配）。刺激强度设定在个体感知阈值与疼痛阈值的中点。认知任务为数字3-back任务（区块设计，包含4个0-back和3个3-back区块，刺激呈现1.5 s，间隔0.5 s，0-back作为基线）。使用Python 3.11环境下的PsychoPy v2024.2.24控制刺激和记录反应。数据分析包括：行为学分析（配对t检验比较准确率和反应时间）、fNIRS预处理（从原始光强转换为光学密度，运动伪迹校正，短通道回归去除浅表污染，带通滤波0.01–0.1 Hz，区块平均提取任务锁定的血流动力学反应）、图像重建与分割（使用MNI-152模板头模型，Tikhonov正则化反演得到体素重建，再按AAL2图谱分割为15个前额叶感兴趣区）。节点水平和分区水平统计分析采用配对t检验，多重比较校正采用错误发现率（FDR）方法。
**研究结果**
**参与者特征**：22名健康成人（12女，10男）完成实验，无人因通道质量排除。平均年龄25.6岁。
**tVNS参数**：主动（耳屏）与假（耳垂）刺激的刺激振幅无显著差异（t(41)=1.85，p=0.07），耐受性良好，无严重不良事件。
**行为学数据**：20名参与者有行为数据，11名有正确反应时间数据。主动刺激下准确率均值69.2%（SD=17.5%），假刺激下66.7%（SD=14.6%）；反应时间主动0.81 s（SD=0.15 s），假0.76 s（SD=0.14 s）。配对比较显示准确率（t(19)=0.53，p=0.60，d=0.12）和反应时间（t(10)=0.79，p=0.45，d=0.24）均无显著差异。敏感性分析显示样本量（N=20和N=11）能检测到dz=0.66和0.94的效应，但较小效应可能被遗漏。探索性相关分析未发现右侧背外侧额中回任务诱发ΔHbO变化与准确率变化的显著关联（Spearman ρ=-0.21，p=0.37）。
**群体平均图**：组水平HbO和HbR激活图显示两种条件下一致的内侧额叶失活和外侧额叶激活模式。
**tVNS对皮质活动的统计学分析**：节点水平配对t检验（未校正）显示假刺激与主动刺激下均存在类似激活模式（参照图8）。在分区分析中，FDR校正后，假刺激条件下3-back任务在左侧和右侧背外侧额中回、左侧额下回三角部、左侧额下回眶部和右侧外侧眶额皮层有显著HbO增加；在左侧和右侧上内侧额回和内侧眶额皮层有显著减少。主动tVNS条件下，除左侧背外侧额中回在假刺激中显著增加但在主动刺激中不显著外，其余区域激活模式相同。主动与假刺激间无显著分区水平HbO变化差异。
**讨论与结论**
本研究首次将HD-fNIRS与tVNS结合于工作记忆任务中。同时递送tVNS并记录皮质血流是可行且耐受良好的，HD-fNIRS能检测到外侧额叶的任务相关激活和内侧额叶的失活，这与既往fMRI和低密度fNIRS研究一致。然而，未观察到主动与假tVNS在工作记忆表现或皮质血流上的显著差异，这一发现需谨慎解读，因为固定顺序设计可能导致疲劳或习惯化效应。讨论指出，tVNS对认知的影响不一致，可能受刺激参数（部位、频率、脉宽、强度、时间等）影响；本研究采用左耳屏连续25 Hz刺激可能不如耳甲艇刺激有效，且缺乏迷走神经激活的生理标志物（如瞳孔测量、自主神经监测）限制了对阴性结果的机制解释。研究局限性包括：无个体结构MRI配准、受试者多为硕士生、固定顺序设计、统计方法为峰值平均而非全时间过程建模、缺乏全身生理监测。结论部分翻译如下：
**结论**：HD-fNIRS可在并发tVNS期间检测到与工作记忆任务相关的皮质激活。在本固定顺序先导研究中，未观察到显著的主动-假刺激差异，但由于顺序相关的疲劳或习惯化可能影响主动条件，这些发现应谨慎解读。未来研究应在轻度认知障碍（MCI）患者中采用随机、交叉平衡的全脑HD-fNIRS设计，并设置足够洗脱期，以确定：（a）HD-fNIRS能否可靠区分受损与正常的工作记忆表现；（b）tVNS能否在认知障碍患者的工作记忆任务期间急性增强皮质血流量。
