经颅直流电刺激调控颞枕皮层增强模糊面孔识别的半球偏侧性研究

《Scientific Reports》：Transcranial direct current stimulation of the occipitotemporal cortex enhances identification of ambiguous faces

本研究为探索经颅直流电刺激(tDCS)在面孔识别中的作用，针对颞枕皮层(OTC)的左右半球功能偏侧性展开研究。通过设置三种电极放置方案(M1、M2、M3)和假刺激对照，采用延迟样本匹配任务(DMS)和不同模糊程度的面孔 morph 刺激，发现M1方案(右OTC阳极/左OTC阴极)能显著提升个体在主观相等点(PSE)附近(30% morph距离)的模糊面孔身份识别准确率，并伴随反应时延长。结果表明双侧OTC的协同调控可能通过优化右半球主导的面孔处理网络来增强感知敏感性，为理解面孔识别的神经机制和非侵入性脑刺激的应用提供了新见解。

　　

在社交互动中，我们能够迅速识别出熟悉的面孔，这背后是大脑颞枕皮层(Occipitotemporal Cortex, OTC)一系列高度专门化区域的精密协作。这些区域包括主要负责编码面部低级特征的枕叶面孔区(Occipital Face Area, OFA)、处理社会属性（如性别）的梭状回面孔区(Fusiform Face Area, FFA)，以及对动态表情信息敏感的上颞沟(Superior Temporal Sulcus, STS)。尽管已有大量研究，但关于左右大脑半球在面孔识别中各自扮演的确切角色，以及它们如何协同工作，仍然是神经科学领域一个充满争议的话题。传统的观点认为右半球在整体面孔处理中占主导地位，然而，功能磁共振成像(fMRI)和 electrocorticography (ECoG) 研究也揭示了部分个体存在左半球优势或双侧均衡参与的情况，这种可变性使得理解面孔处理的神经基础变得复杂。

非侵入性脑刺激技术，特别是经颅直流电刺激(transcranial Direct Current Stimulation, tDCS)，为探索大脑功能提供了独特窗口。tDCS通过施加微弱直流电（通常1-2 mA）调节皮层神经元的兴奋性，阳极通常被认为能诱导膜电位去极化，增强神经活动，而阴极则可能引起超极化，抑制活动。然而，其具体效应受到电极放置方式（蒙太奇, montage）、电流方向、强度以及个体大脑解剖结构的显著影响，导致不同研究结果存在不一致性。例如，有些研究发现tDCS作用于OTC能改善面孔感知和记忆，而另一些研究则报告无效或甚至相反的效果。此外，大多数先前研究使用的面孔刺激差异较为明显，任务难度相对固定，未能系统考察tDCS效应在不同感知模糊度下的变化。感官知觉的表现与感觉神经元的基础兴奋度密切相关，当基线活动水平提高时，系统对模糊或微弱信号的检测能力可能增强。因此，研究者推测，tDCS可能通过提升皮层兴奋性，尤其在对感知模糊的刺激处理中发挥更显著的作用。

为了解决上述问题，探讨tDCS调控OTC对面孔身份识别的影响，特别是其与任务难度和大脑半球偏侧性的关系，Seyed Javad Saghravanian和Hossein Esteky在《Scientific Reports》上发表了他们的研究成果。他们假设，tDCS的效果会受到刺激半球和任务模糊度的共同影响，在感知最模糊、接近主观相等点(Point of Subjective Equality, PSE)的条件下，其提升作用最为明显。

为开展研究，研究人员主要应用了几项关键技术：1. 经颅直流电刺激(tDCS)：使用Neuroelectrics?刺激器，采用三种电极蒙太奇（M1: 右OTC阳极/左OTC阴极；M2: 左OTC阳极/右OTC阴极；M3: 右OTC阳极/左肩阴极）和假刺激对照，对47名健康参与者进行20分钟、1.5 mA的离线刺激。2. 延迟样本匹配任务(Delayed Match-to-Sample, DMS)：刺激后，参与者完成计算机化的DMS任务，判断测试刺激与样本刺激是否相同。3. 模糊面孔刺激：利用FaceGen和FantaMorph软件生成来自9个原始面孔的morph序列，创建了从20%到60%（10%间隔）五种不同模糊程度的非匹配刺激对，以覆盖从易到难的身份识别范围。4. 心理物理学与数据分析：通过拟合逻辑函数计算PSE，使用双因素方差分析(Two-way ANOVA)和事后检验比较不同刺激组在不同morph水平下的识别正确率和反应时(Reaction Time, RT)，并分析正确率与RT的相关性。

tDCS Effects on Task Performance

研究结果显示，在所有测试条件下，被试在匹配试次和差异明显的试次（50%, 60% morph距离）表现均良好，且与假刺激组无显著差异。tDCS对面孔识别表现的影响主要体现在困难的识别条件下，特别是在接近PSE的模糊水平。通过心理测量函数确定假刺激组的PSE约为26% morph距离。在30% morph距离（最接近PSE）时，M1蒙太奇组（右OTC阳极/左OTC阴极）的面孔识别正确率（66.53±4.17%）显著高于假刺激组（50.55±3.76%）。M2蒙太奇（左OTC阳极/右OTC阴极）和M3蒙太奇（右OTC阳极/左肩阴极）也观察到性能提升趋势，但未达到统计学显著性。组间比较显示，M1、M2、M3蒙太奇之间的性能差异不显著。这表明，双侧OTC调制（M1）在增强模糊面孔身份识别方面可能比单侧刺激更有效，但其优势相对于其他主动刺激方案尚未达到统计上的明确区分。

tDCS Effects on Reaction Time

反应时分析揭示了tDCS的另一个重要影响。与假刺激组相比，所有主动刺激蒙太奇都导致了反应时的延长。双因素方差分析显示，M1和M3蒙太奇组存在显著的组别主效应，反应时显著长于假刺激组。M2蒙太奇组也显示出反应时增加的趋势，但未达到显著性水平。组别与morph水平的交互作用均不显著，表明刺激效应广泛分布于不同难度水平，而非特定于某个模糊条件。进一步分析正确率与反应时的关系发现，假刺激组中存在显著的负相关（r = -0.52），即正确率越高，反应时越短。然而，在M1和M3刺激组中，这种负相关性被显著削弱甚至变得不显著，回归线斜率明显平缓。这表明tDCS可能改变了感知决策的加工过程，引入额外的计算负荷或神经竞争，从而延长了反应时间。

归纳研究结论和讨论部分，本研究的重要发现在于揭示了tDCS作用于OTC对面孔身份识别的影响具有任务难度依赖性和潜在的半球偏侧性。双侧调制（右OTC兴奋/左OTC抑制的M1蒙太奇）在感知最模糊的条件（接近PSE）下能显著提升识别性能，同时伴随反应时延长。这种效应可能源于tDCS通过提高神经元膜电位，增强了感觉系统的敏感性，尤其是在信息不充分的模糊情境下。反应时的普遍延长则提示tDCS的调控可能不仅限于面孔选择性神经元，还可能影响了OTC内对其他视觉类别（如物体）敏感的神经群体，增加了感知决策过程中的神经计算复杂度。关于半球偏侧性，结果支持右半球在面孔识别中的优势作用，但同时也强调了双侧半球协调的重要性。M1蒙太奇的效果可能通过兴奋右半球（主导整体处理）同时抑制左半球（偏向特征分析），优化了右半球主导的网络功能。而单侧右半球刺激（M3）或反向的双侧刺激（M2）未能产生同等程度的显著改善，说明单纯的兴奋可能不足以产生最佳效果， interhemispheric balance（半球间平衡）可能是关键。

本研究的意义在于首次系统性地考察了tDCS在不同面孔识别难度水平下的效应，明确了其作用窗口主要位于中等模糊度条件。这为解释以往tDCS研究结果的不一致性提供了新的视角，即刺激效果可能被任务基线绩效所掩盖。研究结果也深化了对面孔处理半球偏侧性的理解，并提示未来非侵入性脑刺激研究需充分考虑电极蒙太奇、任务特性和个体差异的交互作用。尽管本研究存在样本量有限、非双盲设计等局限性，但其初步证据为利用tDCS调控高级视觉认知功能、乃至未来应用于面孔识别障碍的干预策略提供了有价值的理论基础和实验依据。未来的研究可聚焦于PSE附近的刺激条件，纳入非面孔控制任务，并采用更大样本和更严格的双盲设计来进一步验证和拓展这些发现。