同时tACS-fMRI显示海马-皮质功能连接的状态和频率特异性调节

在fMRI期间，在5 Hz θ频率下使用同心刺激电极进行无创经颅交流电刺激，以频率、状态和拓扑特异性的方式增强海马-皮层的连通性。

　　

经颅交流电刺激（tACS）对海马 - 皮质功能连接的调控研究解读

在大脑研究领域，非侵入性地调节大脑活动一直是科研人员关注的焦点。近期，来自马斯特里赫特大学认知神经科学系的 Max Kaiser、Yuejuan Wang 等研究人员，在《Communications Psychology》期刊上发表了题为 “Simultaneous tACS-fMRI reveals state- and frequency-specific modulation of hippocampal-cortical functional connectivity” 的论文。这一研究成果意义重大，为深入理解大脑功能以及开发潜在的临床干预手段提供了新的视角和依据。

一、研究背景

海马体在认知和心理健康中发挥着核心作用，科研人员一直期望通过实验性地调节海马体活动，探究其对认知和心理健康的具体贡献。然而，海马体位于大脑深处，直接进行神经刺激在动物研究中需采用侵入性程序，在人类研究中则只能在脑部手术患者中实施。因此，非侵入性脑刺激技术成为研究热点，其中经颅电刺激（tES）因其操作简便、非侵入性和安全性高，在人类非侵入性脑刺激研究及临床干预中得到广泛应用。

经颅交流电刺激（tACS）作为 tES 的一种，可通过振荡刺激特定频率的神经活动，备受关注。海马体的 θ 振荡（3 - 8Hz）在人类认知和静息状态下十分突出，在空间导航、联想编码、记忆形成等认知过程中，海马体的 θ 振荡功率会增加，同时它还能促进不同脑区神经活动的同步化，支持神经通信和信息处理。此前的 tACS - fMRI 研究虽显示 tACS 能调节广泛皮质和皮质下区域的神经活动，但在人类研究中，尚未证实 tACS 能调节海马体 - 皮质的连接性，且人们对 tES 利用常用刺激参数刺激神经组织的有效性也存在质疑。

二、研究材料与方法

（一）参与者

研究招募了 18 名来自马斯特里赫特大学学生样本的健康参与者，涵盖 12 名女性和 6 名男性，平均年龄为 23.33 岁（标准差 3.85，年龄范围 18 - 31 岁）。参与者经过两次筛选，以评估其是否适合参与非侵入性脑刺激和磁共振成像研究，并在参与前均签署了书面知情同意书。该研究得到了马斯特里赫特大学心理学与神经科学学院伦理审查委员会的批准，参与者可获得课程学分或礼品券作为报酬，且该研究未进行预注册。

（二）实验程序

1. 任务设计：在磁共振扫描过程中，参与者交替完成内源性空间定向注意力任务和静息状态的实验块。注意力任务要求参与者在眼睛注视中央固定点的同时，转移隐蔽注意力。任务块中，每次试验开始时，屏幕中央会出现一个双箭头提示刺激，持续 100ms，箭头指向屏幕左侧或右侧，预测随后出现的光栅位置，有效率为 80%。延迟 1000ms 后，目标刺激（定向光栅）在注视点左侧或右侧出现 100ms，参与者需尽快按键判断光栅的倾斜方向。任务块持续 30s，包含 10 次试验，与 30s 的静息状态块交替出现，每种刺激条件下各有 4 个任务块和 4 个静息状态块。
2. tACS 刺激：使用 NeuroConn DC STIMULATOR TES 设备经头皮位置 P4（根据 EEG 10 - 20 定位系统确定）给予 tACS 刺激，采用同心橡胶电极设置，以实现聚焦电刺激。刺激频率包括 5Hz（θ）、10Hz（α）、20Hz（β）、40Hz（γ）以及无刺激对照，每种频率刺激持续 120s，刺激前有 10s 的斜坡上升期，刺激后有 10s 的斜坡下降期，两次刺激之间有 10s 的休息期。部分参与者在刺激过程中感到不适，电流强度调整为 1.2mA。
3. tACS - fMRI 同步采集：为减少 tACS 对功能成像的干扰，使用与磁共振兼容的系统连接电极和刺激器，并通过 Data Streamer 软件同步刺激协议和功能扫描。参与者在每次 120s 的刺激期间需完成两个 30s 的任务块和两个 30s 的休息块，每个功能运行中，五种 tACS 条件以伪随机顺序施加给参与者，每个参与者在实验结束时每种条件重复四次。
4. MRI 数据采集与预处理：使用 3T Magnetom Prisma Fit 扫描仪采集功能和解剖数据。功能数据采用回波平面成像（EPI）序列采集，解剖参考图像采用 T1 加权 MP - RAGE 序列采集。采集后的数据使用 CONN toolbox v.21.a 进行预处理，包括图像重定位、运动估计、层间采集差异校正、去除功能异常值、分割、归一化到 MNI 空间以及空间平滑等步骤，同时对时间序列数据进行去噪处理，去除生理噪声和其他混杂因素的影响。
5. 数据分析方法：采用基于种子的相关性分析（SBC）测试 tACS 对功能连接的影响，以右海马体（部分分析使用左海马体）或其他特定脑区为种子区域，计算其与全脑体素的时间序列相关性。同时，进行心理生理交互分析（gPPI），探究 θ tACS（5Hz 与无刺激对比）和认知状态（静息状态与任务状态对比）对右海马体种子连接性的差异调节作用。此外，还对静息状态下的功能动力学进行评估，计算与默认模式网络、突显网络和额顶网络的功能连接，以及低频波动的分数振幅（fALFF），并使用贝叶斯因子量化证据。

三、研究结果

（一）行为学数据

重复测量方差分析显示，线索有效性对反应时间有显著主效应，有效线索提示的目标反应时间更快；参与者对右侧视野呈现的目标反应也更快。然而，tACS 频率对反应时间无显著影响，贝叶斯因子表明有强证据支持 tACS 无效应的零假设，且 tACS 频率与其他因素无显著交互作用，贝叶斯因子显示有轶事到中等证据支持无差异的零假设。

（二）静息基线时的海马 - 皮质连接性

在无刺激静息状态块中，右海马体与双侧内侧颞叶区域、前后扣带回皮质、楔前叶、外侧下顶叶区域（包括角回和缘上回）以及外侧颞叶皮质等区域显著连接，这些区域大多属于默认模式网络。分析 tACS 条件对静息状态下海马 - 皮质连接性的影响时发现，在右 inferior parietal lobule（IPL）存在一个显著的体素簇，包括 posterior supramarginal gyrus（pSMG）和角回（AG）。与无刺激相比，各刺激条件均显著改变了海马 - 皮质连接性，其中 5Hz 刺激的影响最强，且 5Hz 刺激使海马 - 皮质连接性强度发生符号反转，而其他刺激条件未出现此现象。

（三）无刺激基线时的静息状态功能动力学

计算无刺激静息状态下三个静息状态网络的功能连接，发现其拓扑分布与以往研究相似，表明本研究中较短的静息块能可靠地捕捉到与以往研究中较长静息状态测量相似的空间和时间静息状态动力学。对偶数和奇数编号的静息块进行 fALFF <0.1Hz 测试，未发现显著差异，贝叶斯因子表明在相关区域有中等证据支持无差异。

（四）tACS 对海马连接性的影响

以右海马体为种子区域，分析任务表现期间 tACS 条件的影响，未发现显著体素簇。在 IPL 簇中，任务期间各刺激条件与无刺激条件相比，海马 - 皮质连接性无显著差异，贝叶斯因子表明有中等证据支持 tACS 对任务期间连接性无效应的假设。而在静息状态下，5Hz tACS 与其他非 θ 刺激条件相比，对右海马体 - 皮质连接性有显著影响，重复测量方差分析证实了 tACS 和状态的交互作用，表明 tACS 对右海马体 - 皮质连接性的影响具有频率和状态特异性。

（五）心理生理交互分析

进行心理生理交互分析，发现在右 IPL 和左 inferior frontal cortex 存在显著簇。在这些簇中，5Hz tACS 在静息状态下与无刺激相比，调节了海马 - 皮质连接性，但在任务表现期间未产生显著影响，且 5Hz tACS 在顶叶皮层增加了连接性，在额叶皮层则降低了连接性。

（六）频率特异性海马网络效应

比较 θ（5Hz）与非 θ 刺激条件在任务和静息状态下的差异，发现在静息状态下，5Hz tACS 在右 AG、右 middle temporal gyrus 和右 fusiform gyrus 增加了功能连接性，显著高于其他刺激条件，而在任务块中未发现显著效应，且 θ 与非 θ 和静息与任务的交互作用在相关脑区显著。

（七）海马与静息状态网络的连接性

计算右海马体与四个静息状态网络节点的区域间连接性，发现右海马体在无刺激静息条件下与默认模式网络区域显著正连接，与突显网络区域显著负连接，与额顶网络和视觉网络无显著连接。5Hz tACS 对突显网络右 SMG 节点的海马连接性有显著调节作用，表明 tACS 可特异性调节海马 - 顶叶连接性。

（八）其他分析

以 P4 中央电极位点为种子区域进行分析，未发现 tACS 诱导的海马连接性变化；以左海马体为种子区域重复分析，也未发现显著簇。通过一系列后验分析，包括测试 5Hz tACS 对 AG 种子网络连接性的影响、比较不同条件下的 fALFF 值、计算时间信噪比（tSNR）以及比较功能图像去噪参数等，结果表明观察到的 tACS 对海马 - 皮质连接性的调节不太可能是由 tACS 诱导的信号质量局部人为变化引起的。

四、研究结论与讨论

研究表明，顶叶 tACS 能以频率、状态和拓扑特异性的方式显著调节海马 - 皮质连接性。在静息状态下，θ 振荡活动使得海马 - 顶叶连接增强，而在注意力定向任务中则无此现象。tACS 不仅逆转了海马 - 顶叶的负连接为正连接，还增强了海马与其他皮质区域的连接性，这为非侵入性调节人类海马 - 皮质连接性提供了有力证据。

从机制上看，tACS 可能通过增强海马 - 皮质的同步性来调节连接性，但研究未观察到局部海马信号动态或皮质刺激部位的明显变化，可能是所分析的 MR 信号指标对电刺激诱导的尖峰重新分布不敏感，或者 tACS 通过诱导皮质区域的 θ 振荡活动来调节连接性，这需要未来结合 tACS 与磁或脑电图的研究进一步探究。

研究还发现 tACS 对基线顶叶负连接有影响，而对正连接无影响，这与重复经颅磁刺激（TMS）增强正基线海马 - 皮质连接性的效果不同，可能与 tACS 和 TMS 调节大脑连接性的不同模式有关。此外，tACS 在 AG 区域对海马 - 皮质连接性的特异性影响，可能源于 TES 空间分布与相关功能解剖结构的相互作用，但这一假设仍需进一步验证。

该研究也存在一定局限性。例如，电极放置采用 EEG 定位系统和标准化 P4 位置，个体定位可能会带来更强的海马调节效果，但 TES 较大的信号传播范围可能限制了个体定位的优势；研究选择在右侧半球进行 TES 刺激，与其他在左侧顶叶皮层进行 TES 刺激的研究不同，未来需要进一步探究不同半球刺激对海马功能的影响；同时，不能排除刺激后神经夹带对后续刺激块神经活动的影响，尽管实验中任务和休息块以及刺激频率的变化可能会阻碍刺激后神经夹带，但这一问题仍需更多研究加以明确。

总体而言，该研究展示了使用振荡电刺激在海马 - 皮质网络中进行情境特异性调节的可行性，拓展了非侵入性脑刺激工具，为未来研究通过调节神经耦合来影响认知功能奠定了基础，在大脑认知研究和潜在临床应用领域具有重要意义。