阳极高分辨率经颅直流电刺激作用于左侧背外侧前额叶皮层与自主神经调节及执行功能表现相关

《Brain Research》：Anodal high-definition tDCS over the left dorsolateral prefrontal cortex is associated with autonomic regulation and executive performance

　　

摘要

高分辨率经颅直流电刺激（HD-tDCS）是一种非侵入性神经调控技术，越来越受到关注，尤其因其与执行功能表现之间的关联而被研究。新近证据表明，前额叶刺激可能还与自主神经调节的变化有关，这一变化可通过心率变异性（HRV）来衡量——HRV是一种与适应性认知控制和情绪调节相关的生理标志。在神经内脏整合模型中，前额叶皮质活动支持认知系统与自主神经系统之间的动态交互，为研究左侧背外侧前额叶皮质（DLPFC）刺激期间心率变异性和执行功能表现的同步变化提供了理论框架。本研究采用随机、单盲、交叉设计，考察了阳极HD-tDCS对健康成人执行功能和自主神经活动的影响。参与者在接受阳极或假HD-tDCS（2 mA，20分钟）之前及刺激期间，分别完成了工作记忆（N-Back）和抑制控制（Stroop）任务，同时记录心电信号以计算高频心率变异性（HF-HRV）。此外，还收集了刺激前及刺激期间的正/负性情绪自评数据。与假刺激相比，阳极HD-tDCS与N-Back准确率的更大提升相关联。在Stroop任务中，准确率在刺激期间有所提高，而反应时间缩短在两种刺激条件下均有观察；与假刺激相比，阳极刺激下反应时间缩短更明显，但考虑到基线差异和可能的练习效应，该模式应谨慎解读。与假刺激相比，阳极刺激还与HF-HRV较基线的更大增加相关联。在阳极刺激条件下出现了HF-HRV与执行功能表现之间的显著关联，但在假刺激条件下则未出现。自评情绪未观察到显著变化。这些发现与左侧DLPFC阳极刺激期间认知和自主神经变化同时出现的现象一致，同时也观察到HF-HRV与执行功能表现的某些方面之间存在关联。

引言

执行功能（EF）是指一组较高阶的自上而下认知过程——包括工作记忆（WM）、抑制控制（IC）和认知灵活性/任务转换——这些功能对于一生中灵活、目标导向的行为至关重要（Cristofori等，2019；Ferguson等，2021；Miyake等，2000）。鉴于执行功能在日常功能中的基础性作用，旨在增强执行功能的干预措施有望在一生中产生显著的认知和功能收益（Frau等，2022；Sandberg等，2014）。

近年来，人们越来越关注使用经颅直流电刺激（tDCS）作为一种非侵入性神经调控技术来调节皮质兴奋性，尤其在前额叶皮质（Imburgio和Orr，2018；Ke等，2019；Sallard等，2018）。tDCS通过放置在头皮上的电极向目标皮质区域输送低强度直流电（通常为0.5–2 mA）（Nitsche等，2008；Nitsche和Paulus，2000）。这种刺激会引起极性依赖的神经元兴奋性变化，其中阳极刺激通常使神经元膜去极化并增加皮质兴奋性，而阴极刺激则倾向于使神经元超极化，降低兴奋性。这些效应被认为涉及N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受体活动的调节，最终影响突触可塑性（Nitsche和Paulus，2000；Nitsche等，2003a,b）。总体而言，tDCS被认为是一种安全、耐受性良好且多功能的方法，可用于研究和调节健康及临床人群的脑功能。

在传统tDCS的基础上，高分辨率tDCS（HD-tDCS）采用较小的环形电极阵列而非传统海绵电极，提供了更高的空间聚焦度和更精确的皮质区域靶向，从而提高了刺激效应的特异性和可靠性（Kuo等，2013；Villamar等，2013）。HD-tDCS已在增强健康成人执行功能方面显示出疗效，尤其在工作记忆、认知控制和抑制过程方面（Gbadeyan等，2016；León-Correa等，2026a；Nikolin等，2017）。因此，本研究重点关注工作记忆和抑制控制——这两个与前额叶左侧背外侧前额叶功能密切相关的执行领域（Miller和Cohen，2001；Gbadeyan等，2016；León-Correa等，2026b；Nikolin等，2017）。

尽管执行功能依赖于分布式的双侧额顶网络，但左侧背外侧前额叶是一个重要的节点，支持着与N-Back和Stroop任务相关的认知灵活性、工作记忆和认知控制过程，包括干扰解决（Barbey等，2013；Huang等，2020；León-Correa等，2026b；Lu等，2021；Nee等，2013）。先前的研究也将左侧背外侧前额叶的阳极HD-tDCS与执行任务表现的变化联系起来，包括工作记忆、分配注意力和抑制控制（Lu等，2021；León-Correa等，2026a；Nikolin等，2017）。重要的是，这一选择并不意味着执行或自主神经调节 uniquely 定位于左半球；相反，左侧背外侧前额叶是作为具有先前证据支持其与此处评估的执行过程以及前额叶刺激的自主神经反应相关的已确立刺激靶点而被选定的。

除了在执行功能中的作用外，背外侧前额叶也被认为中枢自主神经网络的皮质成分，通过其与皮质和皮质下结构的相互作用，参与自上而下的自主神经调节（Benarroch，1993；Benarroch，1997；Breit等，2018；Schmau?er等，2024）。这种双重参与为在同一实验框架内考察认知和自主神经结局提供了依据。

执行功能与自主神经调节之间的关系由Thayer和Lane（2000）提出的神经内脏整合模型（NIM）进行了形式化，该模型认为认知控制和心脏迷走神经调节依赖于相互连接的神经系统。根据该模型，大脑和心脏之间的双向通信由中枢自主神经网络介导，该网络包括皮质和皮质下区域——前额叶、下丘脑和脑干——通过迷走神经调节自主神经反应（Benarroch，1993；Benarroch，1997；Breit等，2018；Thayer和Lane，2009）。在这一框架内，左侧背外侧前额叶被认为通过其与皮质下自主神经中枢的连接影响自主神经功能（Schmau?er等，2022）。

心率变异性（HRV），特别是高频心率变异性（HF-HRV），被广泛认可为副交感神经活动的非侵入性标志和中枢自主神经调节的指标（Shaffer和Ginsberg，2017；Thayer和Lane，2009）。HRV反映心跳间的心跳间期变化，被认为是适应性自我调节的重要生理指标（Mohammadpoor Faskhodi等，2023；Shaffer等，2014）。它在支持行为灵活性方面也发挥重要作用（Thayer等，2009，2012）。较高的HRV始终与更优的执行功能（Forte等，2019；Nicolini等，2024）、增强的情绪调节（Appelhans和Luecken，2006）、更强的压力韧性（Kim等，2018；Spangler等，2018）以及前额叶-边缘系统网络中更强的功能连接相关联（Mather和Thayer，2018；Thayer等，2012）。由HRV所反映的高水平副交感神经活动也可能有助于减缓一生中的认知衰退（Nicolini等，2024）。更广泛地说，更大的副交感神经调节与适应性的认知和情绪反应相关（Thayer和Friedman，2004；Thayer等，2009）。综上所述，这些发现表明执行功能表现和自主神经调节是紧密互相关联的，而非独立的过程。

与神经内脏整合模型一致，越来越多的证据表明前额叶tDCS可能改变HRV所反映的自主神经调节。Ko等（2024）最近提供了荟萃分析证据，显示主动tDCS在多种实验条件下比假刺激更能提升HRV。类似地，Carnevali等（2020）证明，左侧背外侧前额叶的阳极刺激在静息和心理社会应激期间均增加了健康年轻成人的HRV。Brunoni等（2013）报告了在左侧背外侧前额叶阳极刺激后，情绪图片观看任务期间迷走神经激活增强，表现为高频（0.15–0.4 Hz）功率增加。同样，Nikolin等（2017）报告在前额叶tDCS下，工作记忆任务期间HF-HRV显著升高，与前额叶刺激对心脏副交感神经活动的影响一致。更广泛地说，这些发现将左侧背外侧前额叶刺激与神经内脏整合模型框架内的执行和自主神经结局联系起来。

除了执行功能和自主神经调节之外，背外侧前额叶还对情绪调节做出重要贡献，包括情绪和情绪反应性（Habel等，2005；Kredlow等，2022；Zhang等，2022）。单次和重复阳极tDCS在背外侧前额叶上已被证明能通过增强对情绪反应的认知控制并减少对负面刺激的反应性来改善情绪调节（Clarke等，2020；Molavi等，2020）。这些效应已通过主观测量（如正负性情绪量表，PANAS；Wiegand等，2019）和生理指标（包括心率和皮肤电导；Carnevali等，2020；Feeser等，2014）得到证明，进一步支持了前额叶刺激、情绪调节和自主神经功能之间紧密交互的观点。

然而，尽管传统tDCS在心脏迷走神经控制和情绪加工方面显示出令人鼓舞的效果，但关于其对执行功能影响以及认知与自主神经调节之间交互作用的证据仍然有限且不一致。此外，HD-tDCS在这一情境中的潜力——它比传统tDCS具有更高的聚焦度和皮质特异性——极少被研究。因此，本研究同时考察了左侧背外侧前额叶阳极HD-tDCS期间的执行功能表现和HF-HRV，以调查该区域聚焦性刺激是否在同一实验框架内影响认知和生理结局。

本研究

本研究试图通过考察左侧背外侧前额叶HD-tDCS与自评情绪、心脏HF-HRV以及关键执行功能之间的关联来阐明这些关系。具体而言，我们考察了阳极与假HD-tDCS在左侧背外侧前额叶上对健康成人正负性情绪、心脏HF-HRV以及执行功能（EF）——特别是工作记忆（WM）和抑制控制（IC）——的影响。虽然认知灵活性是……

参与者

使用G*Power 3.0.10（Faul等，2007）对重复测量设计进行了先验功效分析。假设大效应量（f2 = 0.40），α = 0.05，功效 = 0.80，估计所需最小样本量为33人。该估计参考了先前关于tDCS在认知和运动领域相关效应的报告（Jacobson等，2012）。为考虑可能的脱落，共招募了38名健康成人。最终样本为36……

Stroop任务

Stroop任务（Stroop，1935）通过要求参与者忽略词语的含义并专注于说出词语墨水的颜色，来测量抑制自动反应的能力。在本研究中，参与者被要求按对应于屏幕上显示词语颜色的特定键[即D = 红色，F = 绿色，J = 蓝色，K = 黄色]，尽可能快且准确地操作。每个词语持续显示直到按下四个键中的一个。任务共包括……

描述性统计

基线刺激前测量值（包括正负性情绪PANAS、HF-HRV以及Stroop和N-Back任务的认知表现[反应时间和准确率]）在假刺激和阳极刺激会话中分别列出于表1。对六项生理和认知基线比较应用了Bonferroni校正。值得注意的是，N-Back任务期间的HF-HRV在未校正水平上存在差异（p = 0.019）；校正后该差异不再显著（校正后p = 0.114）。没有其他基线……

反应时间

Stroop任务中平均反应时间的三因素方差分析揭示了显著的"时间 × 刺激"交互作用[F(1, 35) = 9.353, p = 0.004, η2p = 0.211]，表明从刺激前到刺激期间的表现变化在假刺激和阳极条件之间有所不同（见图4）。事后比较显示，在假刺激条件下，反应时间从刺激前（1076.708 ± 27.775 ms）显著缩短至刺激期间（1066.958 ± 27.716 ms；p < 0.001）。类似地，在阳极条件下，反应时间从……缩短。

反应时间

表3列出了按时间、刺激和工作负荷划分的反应时间（ms）均值。N-Back任务中平均反应时间的三因素方差分析揭示了"时间"[F(1, 35) = 58.100, p < 0.001, η2p = 0.620]和"工作负荷"[F(2, 70) = 26.340, p < 0.001, η2p = 0.430]的显著主效应。刺激期间（1456.930 ± 17.430 ms）的反应时间低于刺激前（1474.120 ± 17.360 ms），反映了反应时间随时间缩短。此外，反应时间在不同工作负荷条件间存在差异，其中……在……条件下的反应时间较低。

讨论

据我们所知，这是第一项在神经内脏整合框架（NIM；Thayer和Lane，2000；Thayer等，2009）下，研究健康成人左侧背外侧前额叶阳极HD-tDCS与执行功能表现、情绪反应和自主神经调节之间同时关联的研究。我们的发现表明，左侧背外侧前额叶的阳极HD-tDCS与工作记忆准确率的提高以及Stroop任务中模式的细微差异相关联……

局限性

本研究的一个局限性在于，自主神经调节仅通过HF-HRV进行评估。

HF-HRV 被预先选定为主要自主神经结局指标，因为它是心脏迷走神经活动的既定指数，也是最符合 NIM 框架（例如，Pawling 等人，2024；Thayer 等人，2009）及先前 HD-tDCS 研究（Nikolin 等人，2017）的 HRV 测量指标。相应地，本研究旨在检验与 HF-HRV 相关的具体假设，而非……

结论
总之，目前的发现表明，针对左侧背外侧前额叶皮层（DLPFC）的阳极 HD-tDCS 与工作记忆准确性的提高、执行任务表现的差异以及任务执行期间 HF-HRV 的增加有关。阳极刺激下观察到的 HF-HRV 与认知结果之间的关联可能反映了自主神经调节与执行功能表现之间的关系。总体而言，这些发现表明认知控制表现和神经心脏调节可能会发生变化

数据可用性
支持本研究结果的数据集已在开放科学框架（OSF）上公开可用，链接为 [link]。该库包含与本文所报告分析相对应的最终数据集。未包含在报告分析中的早期探索性变量已被移除，以确保与提交版本的一致性。

手稿准备过程中人工智能辅助技术的声明
在本手稿准备期间，作者使用基于人工智能的语言模型以提高语言的清晰度和可读性。在使用该工具/服务后，作者根据需要审阅并编辑了内容，并对已发表文章的内容承担全部责任。

资助信息
本研究未获得任何资助。

CRediT 作者贡献声明
Loredana Frau：写作 – 审阅与编辑、写作 – 原稿、可视化、验证、软件、资源、项目管理、方法论、调查、正式分析、数据整理、概念化。Davide Bruno：写作 – 审阅与编辑、监督。Valentina Cazzato：写作 – 审阅与编辑、写作 – 原稿、验证、监督、正式分析。

未引用的参考文献
Della Longa 等人，2021，Grandperrin 等人，2020，Rossi 等人，2018。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能被认为会影响本文报告的工作。

致谢
我们要向所有参与本研究的人员表示感激之情，并向为研究提供材料或协助的技术人员和同事致谢，特别是感谢 Dr [name]、Dr [name] 和 [name] 提供的宝贵支持。本研究为自筹资金，未接受外部拨款或资助。

Loredana Frau|Davide Bruno|Valentina Cazzato
都柏林圣三一学院医学院神经科学研究所（TCIN），都柏林，爱尔兰