近日，北京大學心理與認知科學學院、麥戈文腦科學研究所、北大-清華生命科學聯(lián)合中心方方課題組在神經(jīng)調(diào)控領域頂級期刊Brain Stimulation發(fā)表題為“Boosting visual perceptual learning by transcranial alternating current stimulation over the visual cortex at alpha frequency”的研究論文，該研究首次發(fā)現(xiàn)在執(zhí)行訓練任務過程中對視覺皮層施加10 Hz經(jīng)顱交流電刺激（transcranial alternating current stimulation，以下簡稱tACS）可以加速視知覺學習進程并增強學習效能。
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“無他，唯手熟爾”是北宋文學家歐陽修的作品《賣油翁》中膾炙人口的名句，故事告訴我們反復練習是提高精細動作技能的充分條件。同樣地，反復練習也可以提高已發(fā)育成熟的視覺系統(tǒng)的知覺能力，該現(xiàn)象被稱為視知覺學習（visual perceptual learning）。例如，有經(jīng)驗的影像科醫(yī)生能夠快速而準確地識別出醫(yī)學圖像中的病灶位置。視知覺學習反映了視覺系統(tǒng)經(jīng)驗依賴型神經(jīng)可塑性，為無創(chuàng)地研究視覺神經(jīng)可塑性提供良好的范式。迄今為止，大量的研究致力于探究視知覺學習發(fā)生的皮層位置和形式，然而對于其發(fā)生的神經(jīng)振蕩機制知之甚少。與此同時，日益精進的tACS技術(shù)，能夠以頻譜特異性方式調(diào)控大腦內(nèi)在神經(jīng)振蕩活動，從而建立認知與神經(jīng)振蕩活動之間的因果關(guān)系，為回答該問題提供了良好的方法支持。為此，方方課題組采用tACS技術(shù)結(jié)合心理物理學方法對該問題進行了探究。
在該研究中，研究者采用在視知覺學習研究中廣泛使用的朝向辨別任務（orientation discrimination task）作為主要實驗任務。在朝向辨別任務中，屏幕左下方會快速閃現(xiàn)兩次傾斜角度略有差異的圖形，此后被試需要通過按鍵報告第二次呈現(xiàn)圖形相對于第一次呈現(xiàn)圖形的傾斜角度為逆時針還是順時針，如圖1(A)所示。通過控制圖形之間傾斜角度的差異來控制任務難度，若受試者能在更小傾斜角度時仍能準確辨別圖形之間的差異，則其精細知覺能力越強。在這項研究中，受試者先完成一次訓練前基線測試；此后再進行為期5天的朝向辨別訓練，在執(zhí)行操作任務時接受不同條件的tACS；最后再完成一次測試以評估訓練效果，實驗流程如圖1(B)。電刺激設置方案如圖1(C)所示。
首先，研究者發(fā)現(xiàn)當受試者在執(zhí)行朝向辨別訓練時，若視覺皮層接受10Hz tACS，相對于虛假電刺激條件，學習速率更快、行為表現(xiàn)提高幅度更大；若視覺皮層接受其他頻率的tACS（6Hz、20Hz和40Hz），則未觀測到前述促進效應，如圖3所示。這個結(jié)果表明施加在視覺皮層的10Hz tACS能夠以頻率特異性方式促進視知覺學習。隨后，研究者發(fā)現(xiàn)如果10Hz tACS施加于大腦雙側(cè)感覺運動皮層，則未觀測到前述促進效應（如圖4所示），排除了潛在間接因素對實驗效應造成的實質(zhì)性影響，這也表明10Hz以刺激位置特異性方式促進視知覺學習。最后，研究者發(fā)現(xiàn)，朝向辨別能力增強效應在訓練結(jié)束后14個月依然穩(wěn)定保持，如圖5所示。
圖1.實驗方法。
圖2.模擬電場。
圖3.主要實驗結(jié)果（一）。
圖4.主要實驗結(jié)果（二）。
圖5.主要實驗結(jié)果（三）。
本研究提示，alpha頻段神經(jīng)振蕩活動在知覺學習發(fā)生中發(fā)揮關(guān)鍵作用。以往研究發(fā)現(xiàn)alpha頻段神經(jīng)振蕩與跨皮層間的信息交流有關(guān)，負責自上而下的反饋投射；與此同時，在視知覺學習研究中，大量研究也發(fā)現(xiàn)學習的發(fā)生受到來自負責注意和知覺決策等腦區(qū)的反饋投射的調(diào)節(jié)；因此，alpha頻段神經(jīng)振蕩可能是通過發(fā)揮征募注意或決策等相關(guān)腦區(qū)對視覺皮層的反饋投射作用從而調(diào)節(jié)視知覺學習。對于10 Hz tACS促進視知覺學習的確切工作機制，課題組正在進行探究。
本研究不僅有助于加深對視知覺學習神經(jīng)振蕩機制的理解，還將為應用轉(zhuǎn)化提供參考，例如，加速恢復或提高弱視、偏盲、黃斑變性等病人的視覺功能。
課題組博士后何勍為本文第一作者，方方教授為本文通訊作者，博士生楊鑫躍在本研究中有重要貢獻，當時在實驗室輪轉(zhuǎn)的生命科學聯(lián)合中心博士生龔寶琦和畢可言在數(shù)據(jù)收集中亦做出重要貢獻。感謝王茜博士對稿件的評論和建議；感謝生命科學聯(lián)合中心博士生蔡瑞玲在數(shù)據(jù)收集中的幫助；感謝博士后陳璐瑤在電場模擬中的幫助。
本研究得到國家自然科學基金重點項目（31930053）和北京智源人工智能研究院的支持。
He, Q., Yang, X.-Y., Gong, B., Bi, K., & Fang, F. Boosting visual perceptual learning by transcranial alternating current stimulation over the visual cortex at alpha frequency. Brain Stimulation, DOI: 10.1016/j.brs.2022.02.018 https://www.brainstimjrnl.com/article/S1935-861X(22)00047-X/fulltext
2022-03-15