经颅交流电刺激的相位调节工作记忆任务中的反应时间

《NeuroImage》：Phase of transcranial alternating current stimulation modulates reaction time in working memory tasks

　　

前额叶theta频段经颅交流电刺激（theta-tACS）并未改变平均工作记忆表现。反应时间依赖于活跃theta-tACS的相位。相位依赖效应在视空间和言语工作记忆任务中均出现。偏好相位在不同参与者间存在差异。刺激相位可能导致tACS效应的变异性。

工作记忆（working memory, WM）是实现有限信息临时维持与操作的关键认知功能，大量证据表明其维持过程与前额叶皮层（prefrontal cortex）的活动密切相关。尽管持续性活动假说长期主导，但近年研究提出WM项目可能通过节律性活动（rhythmic activity）进行处理和回忆，并且猕猴及手术患者的侵入性记录显示神经振荡相位（neural oscillation phase）决定WM回忆表现。然而，在健康人类大脑中，振荡相位在WM中的重要性证据尚有限。经颅交流电刺激（transcranial alternating current stimulation, tACS）可用于研究神经振荡的因果作用，多项研究显示前额叶theta频段tACS能够改善WM表现，但效应在研究中存在显著不一致性，包括研究间、个体间及个体内变异。一个常被忽视的变异来源是tACS振荡的相位，因为tACS可通过夹带（entrain）神经元放电至特定相位来调节神经活动的时间。基于此，研究人员开展了一项安慰剂对照、被试内设计的研究，旨在评估tACS相位与视空间及言语WM任务表现的关系，并探讨相位依赖效应是否在参与者间一致。该研究发表于《NeuroImage》。

研究人员招募了25名健康成年人（最终分析样本N=20，年龄18-35岁，来源为格罗宁根大学行为与社会科学学院），每位参与者完成两次实验会话（至少间隔一周，相同时间），分别接受活跃theta-tACS和假刺激（sham）。主要技术方法包括：1）使用变化检测任务（change detection task, CDT）和N-back任务分别评估视空间和言语WM，任务难度通过项目数量或N值调节；2）tACS参数为4 Hz、1.5 mA（峰-峰），电极置于双侧前额叶（F3/F4，国际10-20系统），刺激时长30分钟，假刺激仅持续90秒；3）通过感应环记录刺激相位，采用3-5 Hz带通滤波和Hilbert变换提取瞬时相位，利用圆形回归（circular regression）分析相位与反应时间（RT）及准确率的关系；4）统计分析使用重复测量方差分析（RM-ANOVA）比较活跃与假刺激条件下相位-行为关联强度，并通过Rayleigh检验评估偏好相位（preferred phase）的分布均匀性。

研究结果分为三个部分：

**3.1. tACS对工作记忆的一般效应**：通过重复测量方差分析，发现CDT和N-back任务中仅任务难度主效应显著（CDT准确率：F(2,38)=32.37, p<0.001, ηp²=0.63；N-back准确率：F(1,19)=48.31, p<0.001, ηp²=0.718），但刺激条件（活跃 vs. 假刺激）的主效应及交互效应均不显著（所有p>0.05），表明前额叶theta-tACS未改变平均WM表现。

**3.2. tACS对CDT表现的相位特异性效应**：以反应时间（RT）的圆形-线性相关系数（rcirc）为因变量，发现刺激条件主效应显著（F(1,19)=7.11, p=0.015, ηp²=0.27），活跃tACS条件下相位-反应时间关联强度（rcirc均值0.188）显著高于假刺激（0.145），且该效应在所有难度水平一致（无交互效应）。然而，Rayleigh检验显示偏好相位在参与者间无显著聚集（所有p>0.05），表明最优相位因人而异。以准确率的伪相关系数（pseudo-rcirc）为因变量，未发现显著的刺激效应（F(1,19)=0.26, p=0.616, ηp²=0.01）。

**3.3. tACS对N-back任务表现的相位特异性效应**：对于反应时间，刺激条件主效应不显著，但刺激×难度交互效应显著（F(1,19)=6.11, p=0.023, ηp²=0.24）。事后配对t检验表明，在3-back条件下活跃tACS的rcirc（0.297）显著高于假刺激（0.210）（t(19)=2.50, p=0.022, d=0.56），而2-back无显著差异。Rayleigh检验显示偏好相位在3-back条件下也无显著聚集（p=0.718）。对于准确率，因2-back多数参与者得分为满分无法拟合逻辑回归，仅比较3-back条件，未发现显著刺激效应（F(1,17)=0.29, p=0.557, ηp²=0.01）。

讨论部分总结了三项主要发现：第一，总体行为表现未受tACS显著影响；第二，相位特异性分析显示刺激时间相对于tACS周期显著预测反应时间，在CDT所有难度和N-back 3-back条件下均成立，但偏好相位在参与者间存在较大个体差异；第三，未发现相位对准确率的调节效应。研究人员解释了个体差异的可能原因，包括皮质折叠与组织几何结构的个体差异导致电场分布不同、内源性theta频率变异、以及信息从刺激呈现到前额叶处理的时间延迟差异。此外，指出相位对反应时间的影响可能反映了信息处理的时间门控机制（temporal gating）。讨论还提到局限性：相位依赖性分析未对多重比较进行校正（若校正则边际显著）、无法排除外周感觉共刺激的贡献、固定4 Hz频率未个体化、缺乏同步神经记录、以及2-back任务难度不足可能掩盖效应。最后，翻译研究结论部分：综上所述，theta-tACS在工作记忆中的效能不仅取决于刺激施加的位置和频率，还取决于任务相关信息相对于刺激周期呈现的时间。尽管前额叶theta-tACS未产生总体行为收益，但相位特异性分析表明反应时间依赖于刺激周期内的刺激时间。因此，忽视刺激相位可能掩盖行为相关的tACS效应。此外，最优相位在不同个体间存在差异，提示相位可能是tACS研究中一个隐藏的变异来源。虽然个性化刺激方法已聚焦于优化位置和频率，但刺激与任务事件之间的相位对齐可能代表了个性化的另一个维度。