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利用小脑经颅直流电刺激调节认知功能

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DOI：

10.3791/52302

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2015年2月15日

1School of Psychology, University of Birmingham

本文内容

摘要

小脑部位的经颅直流电刺激（tDCS）可对前额叶皮层产生远端效应，从而调节认知与行为表现。这一现象通过两种不同复杂程度的信息处理任务得以验证：仅在任务难度较高时，阴极 tDCS 能够提升表现，而在简单任务中则无此效果。

摘要

近年来，大量研究相继表明，通过经颅电刺激激活与工作记忆和注意力相关的脑区，有可能调节甚至在某些情况下增强认知过程。一些研究人员认为，小脑可能通过远端对前额叶皮层的神经调节作用支持认知功能。本文介绍了一种利用经颅直流电刺激（tDCS）结合一系列不同难度的信息加工任务来探究小脑在认知中作用的研究方法，这些任务此前已被证明涉及工作记忆、注意力以及小脑功能。其中一项任务称为“定时听觉序列加法任务”（PASAT），另一项为该任务的新变式，称为“定时听觉序列减法任务”（PASST）。此外还考察了一项动词生成任务及其两个对照任务（名词和动词阅读）。三项独立的参与者分组在对右侧小脑皮层施加阳极、阴极或伪刺激以调节皮质-小脑连接性前后，分别完成了全部五项任务。实验结果表明，仅在参与者评定为困难而非简单的任务中，阴极刺激后可选择性地改善任务表现（准确性、言语反应潜伏期及变异性）；而阳极或伪刺激则未引起表现变化。这些发现揭示了小脑在认知中的作用机制，即右侧小脑皮层的阴极tDCS可能解除了对左侧前额叶皮层活动的抑制。经颅脑刺激技术在各类实验室和临床机构中的应用日益广泛。然而，tDCS的后续效应在个体间存在不一致性，且并不总是具有极性特异性，甚至可能依赖于特定任务或负荷，这些现象均需进一步研究。未来的研究方向也可着眼于一旦对脑刺激机制有了更深入的理解后，针对伴有认知障碍的小脑疾病患者开展神经增强治疗。

引言

电刺激在医学中的应用已有100多年历史。如今，脑刺激在各类实验室和临床机构中正日益频繁地被用作研究工具，以检验有关大脑皮层和小脑如何执行运动与认知功能，以及这两个脑区之间的连接如何支持这些功能的假设。就小脑而言，部分原因在于被认为参与认知功能（见下文）的外侧小脑半球可接受经颅电刺激，对极化电流敏感，且该操作对人体受试者而言相对经济、易于实施。本文所描述的脑刺激方法表明，在认知需求“较高”而非“较低”的任务中，工作记忆和注意力等认知过程可得到促进1。这些任务特异性结果的解释，严格依赖于对大脑-小脑通路生理机制的理解。即使在任务难度较高的情况下，对前额叶皮层进行电刺激后，同样可观察到神经增强效应2,3,4,5。

小脑在预测、计时和执行运动中起着重要作用6。然而，目前多项研究提示，小脑可能也影响认知过程。在解剖学领域，例如，大量研究表明，前额叶皮层区域与小脑之间存在双向连接（即，脑-小脑通路），这可能支持认知功能7,8,9,10,11,12。在临床领域，部分后部小脑特定区域受损的患者表现出智力和情绪方面的问题，其症状被归纳为“思维失衡”假说，并在临床上称为“小脑认知情感综合征（CCAS）”；而前部小脑受损的患者则表现为运动障碍（例如，共济失调），并被归纳为“运动失衡”13,14,15。在脑成像领域，Schmahmann 及其同事16,17利用功能磁共振成像（fMRI）和功能连接技术，在执行运动和认知任务时，绘制了小脑内与任务相关的特定区域及其与前额叶之间的连接图谱。

本研究中采用的认知任务是基于先前研究证据选择的，这些任务已被证实能够激活小脑中所谓的非运动区域。同时，这些任务还使我们能够区分运动和认知任务成分，这一目标通过调节完成任务所需的认知负荷与运动负荷的相对水平，以及引入一种已被证实可调节脑-行为关系的脑刺激程序来实现。近年来，调节脑功能和行为的尝试包括在头皮上施加极化电流，即经颅直流电刺激（transcranial direct current stimulation, tDCS）。事实上，自20世纪70年代以来，临床医生已在患者群体中使用植入式电极对小脑皮层进行刺激，并取得了令人鼓舞的治疗效果18。如今，通过头皮对大脑进行刺激已被证实可用于研究健康受试者中的脑-行为关系。

在人类中，经颅直流电刺激（tDCS）通常涉及通过一对浸有生理盐水的电极持续施加低强度（1-2 mA）的直流电（DC），持续时间为15-20分钟。一种典型的脑部刺激电极布局可能包括将一个（阳极）电极放置在头部（位于目标脑区上方），另一个（阴极）电极则放置在对侧身体的面颊（颅内）或肩部（非颅内）。在刺激小脑的情况下，两个电极之间的颅内电流流动在邻近区域（例如视觉皮层19）的功能性扩散相对较小，被认为可兴奋或抑制小脑皮层中的浦肯野细胞20，从而引起神经生理学和行为学上的变化。人类中小脑tDCS的电流扩散及其效应主要基于建模数据、动物研究以及对运动皮层的间接影响推断而来。在运动功能领域，这些效应也被证明具有极性特异性，这从小脑刺激对运动皮层兴奋性的影响结果中可见一斑20。例如，阳极刺激通常具有兴奋作用，可增加浦肯野细胞的输出，从而增强从小脑核团到大脑皮层的易化通路的抑制；而阴极刺激则通常产生相反效应，即通过减少浦肯野细胞对小脑核团的抑制，实现对大脑皮层的去抑制。i.e.。灵长类动物的解剖学研究表明，浦肯野细胞可通过丘脑腹外侧核的突触中继，对运动和认知回路施加易化性驱动21。然而，近年来在人类中开展的tDCS研究提示，阳极与阴极之间的区别可能并非绝对明确。例如，运动皮层上tDCS的后效在不同个体间表现出高度变异性，并不总是具有极性特异性22。类似的质疑也存在于认知领域的研究结果中23。这或许有助于解释为何与小脑-脑抑制（CBI20）所介导的小脑对运动区的直接影响相比，认知功能上的效应更难被检测和解释。这些观察结果凸显了深入理解决定脑刺激有效性的个体因素的重要性，并强调需要开发更优化的脑刺激方案。

通过电刺激小脑-丘脑-皮质通路，运动功能和认知功能的改变在生理上是合理的24在认知功能方面，已有研究报道小脑经颅直流电刺激（cerebellar-tDCS）对言语工作记忆具有调节作用。25,26并且在刺激前额叶皮层区域后也观察到对认知功能的持久影响2,3,4,5然而，脑刺激对神经元的生理效应在刺激期间（在线效应）与刺激结束后（离线效应）进行行为测试时有所不同27有研究指出，在线效应可能包括细胞内环境的变化 （例如离子浓度）和电化学梯度（例如，膜电位），而离线效应可能包括由于细胞内过程改变而导致的神经活动更持久的变化（例如受体可塑性27本研究探讨了离线效应，即在两次认知测试之间应用经颅直流电刺激（tDCS），并比较两次测试期间的行为表现。

研究小脑在认知功能中的作用时，可借助以往已证实涉及小脑功能的任务。其中一项特定任务涉及算术推理和分配性注意力，称为“定时听觉序列加法任务”（Paced Auditory Serial Addition Task, PASAT28）。该任务已被广泛用于评估健康人群及患者群体的多种认知功能。测试通常要求受试者聆听每3秒呈现的一个数字，并将当前听到的数字与前一个数字相加（而非累计总和）。此任务具有较高挑战性，对工作记忆（WM）、注意力和算术能力要求较高。正电子发射断层扫描（PET29）和磁共振成像（MRI30）结果显示，执行该任务时大脑皮层和小脑均参与了与这些特定认知成分相关的活动。为了进一步提高任务的认知难度和注意力负荷（这一改进已被近期一项研究31所证实），我们修改了原始指令，要求受试者将当前听到的数字从前一个数字中减去。我们将这一新任务称为“定时听觉序列减法任务”（Paced Auditory Serial Subtraction Task, PASST1），其执行难度高于PASAT，这一点已通过受试者对任务难度的主观评分以及显著更长的反应时间得到验证1。本研究同时纳入了任务的两个版本，使其中一个在认知和注意力需求上明显高于另一个，而两者的运动负荷（即隐性言语操作）保持相当。如果小脑参与认知过程，那么通过经颅直流电刺激（tDCS）干扰其功能可能会影响受试者在PASST上的表现，但未必影响其在PASAT上的表现。

另一种被广泛用于研究小脑在言语和语言认知功能中作用的任务是动词生成任务（Verb Generation Task, VGT）。32,33,34,35,36,37）。与PASAT类似，该测试已广泛用于评估健康人群和患者群体的言语工作记忆。基本而言，VGT要求受试者大声说出一个动词例如，以响应视觉呈现的名词（例如，汽车），与对照任务（参与者大声朗读名词）的表现进行比较。生成动词和朗读名词具有相似的知觉和运动需求，但对言语工作记忆（verbal WM）的需求不同（即，更深层次的语义分析。与阅读名词相比，产生动词时大脑-小脑网络的活动更强34,35,36当在各组块中以随机顺序重复使用相同词汇进行任务时，词汇的生成速度也会更快（启动效应），且在PET上观察到大脑-小脑活动增加33 和 fMRI37.

本文描述了一种在小脑区域应用经颅直流电刺激（tDCS）以研究该脑结构在认知功能中作用的实验方法，并结合了两项算术任务（实验一）和三项不同难度的语言任务（实验二），三组独立的参与者分别在刺激前后完成了这些任务。基于小脑在认知中的作用，我们假设，在更具挑战性的任务中，受试者的任务表现即，PASST 和动词生成任务）受 tDCS（离线效应）的影响将大于较不费力的任务（PASAT 和名词/动词阅读）。

方案

注意：所有参与者均签署了知情同意书，且本研究已获得伯明翰大学伦理委员会的批准。

1. 请受试者阅读知情同意书并填写经颅直流电刺激（tDCS）筛查问卷（附录1），若无tDCS实施禁忌症，请其签署知情同意书。

2. 在安静的房间内，于刺激期之前（第一次会话）和之后（第二次会话），以伪随机顺序依次进行实验一（计算任务）和实验二（语言任务），以减少干扰，并准确记录听觉反应时间，反应时间将在事后离线计算。

3. 在实验一中，通过耳机向被试呈现听觉刺激（即，数字）（参见材料/设备表）。在实验二中，通过计算机屏幕向被试呈现视觉刺激（即，词语）。在两个实验中，均根据被试听觉反应的振幅来控制耳机麦克风的开启。
注：所有任务均通过计算机化方式进行，在笔记本电脑上运行，并由刺激呈现与记录软件控制（参见材料/设备表）。

4. 最后，向参与者说明研究的目的（即，进行汇报），并要求他们对每项任务的难度进行评分，评分范围为1（容易）至10（困难）。同时，告知参与者在至少7天内不要参加其他脑刺激实验，并在出现经颅直流电刺激（tDCS）任何不良反应时及时联系实验人员。

5. 实验一（计算任务）

5.1）执行节律性听觉序列加法任务

注意：PASAT 包含 3 秒和 2 秒两种版本。

  1. 分别使用3秒版本和2秒版本中的60个项目进行加法任务和减法任务。此外，使用PASAT-Form A上的项目 之前 刺激期（第一次会话）以及刺激期后的 PASAT-B 表项目（第二次会话）。
    注意：应平衡参与者完成 PASAT 和 PASST 的顺序，以避免一种任务的表现影响另一种任务。
  2. 让受试者坐在计算机屏幕前，并向其说明他们将通过耳机听到一系列数字，且需要 添加 将听到的数字与前一个数字相加，然后说出答案，并继续将新听到的数字与前一个数字相加（而非累加总和）。在开始任务前，将麦克风置于受试者嘴部前方。
  3. 开始任务，要求参与者阅读计算机屏幕上显示的标准说明，该说明正式介绍如何执行PASAT。在参与者完全理解说明后，执行任务。
    注意：同时向他们提供书面示例。这些说明与任务原始版本中的说明相似。
  4. 在任务进行过程中，将每个答案记录在打印的评分表（附录2）上，以便后续核对。若参与者回答错误或未作答，则不计分。确保刺激声音清晰可闻，以便参与者能够顺利跟随任务指令（也可通过扬声器播放实验内容），并依次标记每个正确答案。
  5. 告知参与者在任务过程中不得交谈和/或进行心算（或使用手指辅助操作），仅需大声说出答案。

5.2）执行 paced auditory serial subtraction 任务

  1. 告知参与者，减法任务（PASST）的指导语与加法任务（PASAT）相同，只是此次他们需要将听到的数字从之前立即听到的数字中减去，然后说出答案，并继续将后续听到的数字从其前一个数字中减去（而非给出累计结果）。同样，确保麦克风未偏离参与者的嘴部位置。
  2. 当参与者已阅读并完全理解计算机屏幕上显示的减法任务相关指导语后，开始执行该任务。再次提醒参与者，不得通过口头或手指辅助进行计算。

5.3) 进行练习阶段（PASAT 和 PASST）

注意：在实验一中，每位参与者在执行每个任务前需进行一次练习环节，以确定参与者在特定限制条件下完成任务的速度，避免出现天花板效应。通过在练习环节中包含45个条目（相对于原始的10个条目）来实现这一点。

  1. 向参与者说明，他们将按照上述描述进行 PASAT 和/或 PASST 测试（取决于首先进行哪项任务）。仅在练习阶段，每呈现五个项目后，将刺激间间隔缩短 300 毫秒，使呈现速率在 4.2 至 1.8 秒的时间间隔范围内逐步加快。
  2. 在练习过程中，记录导致参与者连续出现三次错误的刺激呈现速率（但仍允许其完成整个练习过程），并在正式任务中采用该临界点之前的速率。
  3. 为每位参与者选择刺激呈现速率，并在第一和第二阶段（i.e., 刺激前和刺激后）保持该速率一致。每项任务之间给予参与者短暂休息（约 30 秒）。

6. 实验二（语言任务）

6.1）执行动词生成任务

注意：请按名词阅读、动词生成和动词阅读的顺序依次进行（每项任务之间留有短暂休息），以避免动词阅读任务中的词汇对动词生成任务产生启动效应，从而加快反应速度。每项任务包括3个练习词和6个试验组块，每组块包含10次试验。

  1. 从一组独立的参与者中构建包含40个与可用手或脚操作的工具/物体相关的具体名词，以及40个与这些工具/物体使用相关的具体动词的列表，要求相同的名词-动词配对由超过一半的参与者生成，如Pope和Miall1所述。避免生成相同反应的名词-动词配对（例如，dinner-eat，apple-eat），或与人类行为无关的配对（例如，oven-bake）。在第一次会话中呈现一半的词汇，第二次会话中呈现另一半。
  2. 向参与者说明，他们需要针对屏幕上呈现的名词（例如，car）说出一个适当的动词（例如，drive）。在任务开始前，向参与者明确解释这种名词-动词之间的关联关系。
  3. 在第1至第5个区块（重复词汇）中，以不同的随机顺序将词汇呈现在计算机屏幕中央，并在第6个区块中呈现新词汇（新词）。确保每次麦克风检测到回答后，当前词汇即被下一个词汇替换。
    注意：确保第一次和第二次会话中的词汇列表不同，并在参与者之间进行交叉平衡。
  4. 开始任务，要求参与者阅读计算机屏幕上显示的标准说明，该说明正式解释如何执行动词生成任务。
  5. 当参与者完全理解任务后，将麦克风置于嘴前，并指示他们在词汇出现在计算机屏幕上时立即说出相应的动词。
  6. 记录参与者大声说出的每一个答案，以便后续核对。注意记录任何错误或遗漏的回答。

6.2）执行名词和动词阅读任务

注意：在名词阅读任务中，参与者阅读名词；在动词阅读任务中，参与者阅读动词。请以与动词生成任务相同的方式呈现词语。

  1. 在两项阅读任务中，均要求受试者在每个单词出现在计算机屏幕上时立即大声朗读。
  2. 在受试者大声朗读单词时，通过观察屏幕确认其在两项阅读任务中均正确朗读了每个单词。
    注意：确保在任务间隔期间麦克风相对于受试者口腔的位置未发生移动。

7. 进行小脑经颅直流电刺激（tDCS）

注意：经颅直流电刺激（tDCS）在人类中使用被认为是安全的。然而，本研究中实施 tDCS 的研究人员均具备急救资质。建议在进行 tDCS 时应有具备急救资质的人员在场，以确保当受试者在操作过程中感到不适或晕厥时，其安全不会受到威胁。实施 tDCS 时，切勿让受试者无人看护。

  1. 预先将两个海绵电极（表面积 = 25 cm²）浸泡2) 在标准的0.9% NaCl生理盐水中浸泡至饱和。
  2. 将红色电极置于枕骨最突出处（枕外隆凸）下方1 cm、右侧4 cm的位置，以对右侧小脑皮层施加兴奋性（阳极）刺激。
    注意：头皮上的这一侧位大致对应小脑第Ⅶ小叶的位置。
  3. 完成电极布局时，将参考电极或阴极电极（蓝色）置于右侧肩部三角肌上方。
  4. 为实施抑制性（阴极）刺激，重复上述步骤，并将两块海绵电极位置对调即，将蓝色电极置于头部，红色电极置于肩部。
  5. 为实施假性tDCS，给予伪刺激（例如，110 μA，持续15毫秒，每550毫秒一次）替代刺激电流，持续20分钟。电极放置位置与上述相同，但在假刺激组中，需在不同受试者之间交叉平衡红色和蓝色电极的位置。
  6. 用橡胶带或自粘绷带将湿润的电极牢固地固定在头部和上臂。在受试者颈部后方放置一些纸巾，以吸收滴落的生理盐水溶液。
    注意：电极固定后，需检查其预定位置是否发生移动。为确保最佳的电极-皮肤接触效果，应将电极平整地贴放在头皮上，避免置于头发覆盖区域。
  7. 以斜坡方式在10秒内分别逐渐增加和减少每次刺激干预的起始和终止时的直流电流38,39将刺激强度设定为 2 mA，使用可靠的电流调节直流刺激器持续刺激 20 分钟（材料/设备清单).
    注意：该强度与其他研究者所使用的强度相似25，且被认为是一种安全的暴露水平40，远低于引起组织损伤的阈值41.
  8. 嘱咐受试者在刺激期间保持休息或放松状态，并避免使用电子设备，以防止引入可能影响实验结果的混杂变量。
    注意：在刺激电流开始时，受试者常会在一个或两个电极位置感到轻微瘙痒感，和/或口腔内有金属味。应向受试者说明，这些感觉会在数秒后消失，此后即无法察觉经颅直流电刺激（tDCS）的存在。
  9. 将阳极、阴极或假刺激以伪随机顺序分别施加于三个独立的参与者组别（组间设计，非相关样本）。确保各组在参与者总数、性别比例和平均年龄方面具有可比性，如Pope和Miall所述。1.

8. 脑刺激结束后，以交叉平衡的顺序重复进行 PASAT（步骤 5.1–5.1.5）和 PASST（步骤 5.2–5.2.2），并按此顺序重复名词和动词阅读任务（步骤 6.2–6.2.2）以及动词生成任务（步骤 6.1–6.1.6）。实验一（计算任务）和实验二（语言任务）应以伪随机顺序进行。脑刺激后，不得对任一任务提供练习。

注意：在其他认知研究中，真实刺激和伪刺激已应用于同一队列（参与者内设计，相关样本），两次刺激之间至少间隔5-7天的洗脱期25,26。然而，在较高电流强度下，区分伪刺激与真实刺激更为容易42。这在参与者内设计中可能带来问题，但在本研究所述的参与者间设计中则不会产生此类问题。

结果

数据分析

在实验一中，针对两种任务（PASAT 与 PASST）、不同会话阶段（干预前与干预后）以及各组别（阳极、阴极或伪刺激）之间，分别采用独立的混合方差分析（ANOVA），对正确反应次数或准确率（以正确百分比表示）以及被试口头反应时间的均值和变异性（标准差）进行分析。在实验二中，针对每种任务（动词生成、名词阅读与动词阅读）、会话阶段（干预前与干预后）以及组别（阳极、阴极或伪刺激），分别采用独立的混合方差分析，比较被试在第一组（区块1）与最后一组（区块5）重复单词中的口头反应均值和变异性，以评估学习总量。所有数据分析均排除错误答案；此外，在实验二中，还将反应时间过长（超过均值+2个标准差）的答案予以剔除。

实验一（算术任务）

刺激呈现速率

经多重比较校正后的成对 t 检验证实，练习阶段确定的各参与者特异性刺激呈现速率在三组之间无显著差异（伪刺激组、阳极组和阴极组分别为 2.56、2.50 和 2.49 秒，F2,63 = 0.23，P = 0.79）。

准确度评分

第二次会话的正确答案数量（84.47%）较第一次会话（76.30%）有所增加，这可能是由于练习效应所致（图1）；而在阴极刺激后正确率的提升更为明显（77.50% vs. 89.32%），相比之下，阳极刺激（77.80% vs. 82.80%）和假刺激（77.81% vs. 80.91%）后的提升较小。方差分析（ANOVA）结果显示任务×会话×组别之间的交互作用显著（F2,63 = 4.61，P < 0.05），证实了这一差异。

小脑tDCS对数学准确率的影响，条形图显示假刺激、阳极刺激和阴极刺激组在前测和后测中的结果。
图1：小脑tDCS干预前后准确率得分。在阴极刺激条件下，正确反应的数量（均值 ±1 标准误，n = 20）从第一次会话（刺激前）到第二次会话（刺激后）显著提高，且在减法任务（PASST）中的提升程度明显大于加法任务（PASAT）。星号表示经校正的配对比较分析揭示的显著差异（P <0.05）。本图改编自Pope和Miall1。

言语反应时间

在PASAT任务中的正确反应时间显著快于PASST任务（1372 vs. 1447 毫秒；F1,57 = 11.70，P <0.001），且在经颅直流电刺激（tDCS）后这一差异更为明显（1446 vs. 1374 毫秒；F1,57 = 36.43，P <0.001）。事实上，任务类型、实验阶段与分组之间的交互作用接近显著水平（F1,57 = 2.65，P = 0.08），具体表现为：在阴极刺激后，PASST任务的反应时间下降幅度更大（1509 vs. 1322 毫秒），而阳极刺激（1491 vs. 1427 毫秒）或假刺激（1504 vs. 1427 毫秒）后的下降幅度较小。该趋势在PASAT任务中并不明显。

反应时间变异性

反应时的一致性在第一次会话（386 毫秒）与第二次会话（354 毫秒；F1,57 = 16.86，P < 0.001）之间也显著下降，如图2b所示。特别值得关注的是，任务 × 会话 × 组别交互作用显著（F2,57 = 11.16，P < 0.001）。该结果表明，在PASST任务中，阴极刺激后的反应时变异性下降幅度更大（403 vs. 273 毫秒），而阳极刺激（418 vs. 398 毫秒）或假刺激（396 vs. 368 毫秒）后的下降幅度较小。在加法任务中，三种刺激组之间的反应时变异性降低程度相等。

小脑tDCS对平均反应潜伏期和变异性的影响；柱状图显示前测和后测数据。
图 2：（A） 小脑经颅直流电刺激（tDCS）前后的平均言语反应时间。在减法任务中，受试者的平均言语反应时间（均值 ±1 标准误，n = 20）从第一次会话（刺激前）到第二次会话（刺激后）在阴极刺激下表现出选择性改善，尽管差异未达到显著水平（P = 0.08）；而在加法任务中未见此效应。本图经 Pope 和 Miall1 修改。 （B） 小脑 tDCS 前后言语反应时间的变异性。在减法任务中，受试者言语反应时间的变异性（标准差，均值 ±1 标准误，n = 20）在阴极刺激后的会话间显著降低，表明选择性改善；但在加法任务中未见显著变化。本图经 Pope 和 Miall1 修改。

实验二（语言任务）

平均总学习量

针对每位参与者，计算了第1至第5个区块之间的学习效应，结果显示在名词阅读任务（0.03 秒）和动词阅读任务（0.03 秒）中学习效应相当，但在动词生成任务中更大（0.20 秒[见图3]），这一差异通过任务类型的主效应显著性得到证实（F2,56 = 67.17，P < 0.001）。有趣的是，会话×任务×组别三者之间存在显著的交互作用（F4,114 = 2.44，P = 0.05），表明阴极tDCS在动词生成任务中选择性地改善了会话间的学习效果（0.18 对比 0.31 秒），而阳极tDCS（0.18 对比 0.17 秒）和假刺激（0.17 对比 0.19 秒）则未见此效应。

比较tDCS前后反应潜伏期变化的柱状图；显示统计分析结果。
图3：重复任务区块间的平均总学习效果。 在动词生成（VG）任务中，接受tDCS干预后，区块1至5之间的平均反应时间（均值 ±1 SEM，n = 20）比名词阅读（NR）和动词阅读（VR）任务更短。星号表示经校正的配对比较分析揭示的显著差异（P <0.05）。本图经Pope和Miall1修改而来。

总学习变异性

还计算了第1至第5个区组之间学习的一致性（见图4），发现动词生成任务期间，在阴极tDCS刺激后一致性选择性提高（0.08 vs. 0.19 秒），但在阳极（0.08 vs. 0.08 秒）或假刺激（0.08 vs. 0.06 秒）后未见改善，这一差异由显著的“会话×任务×组别”交互作用标记（F4,114 = 2.23，P < 0.05）。

经颅直流电刺激（tDCS）前后反应潜伏期变异性变化的柱状图，显示假刺激、阳极和阴极效应。
图4：重复任务区块间的总学习变异性。 在动词生成（VG）任务中，经颅直流电刺激（tDCS）后，第1至第5个区块之间的反应变异性（平均标准差 SD +1 标准误 SEM，n = 20）比名词阅读（NR）和动词阅读（VR）任务更一致。星号表示经校正的配对比较分析显示的显著差异（P <0.05）。本图改编自 Pope 和 Miall1。

讨论

经颅直流电刺激（tDCS）近年来已成为研究脑-行为关系的常用工具。本文描述了一种利用tDCS结合多种算术与语言测试来探究小脑认知功能的方法，这些测试对工作记忆和注意力的要求各不相同。实验一的结果显示，在一项难度较高、认知需求较大的信息处理任务——即节律性听觉序列减法任务（paced auditory serial subtraction task, PASST）中，右侧小脑半球阴极刺激相较于阳极刺激和假刺激，能够提高任务准确率以及言语反应的变异性；但在较简单、认知负荷较低的加法任务——即节律性听觉序列加法任务（paced auditory serial addition task, PASAT）中则未观察到此类效应。由于这两项任务具有相似的运动控制成分（即，言语操作），但认知负荷（即，心理努力程度）不同，我们在先前的研究1中推测，当任务需求较高时，右侧小脑皮层的阴极抑制可能释放了额外的认知资源。阴极tDCS预期会引起小脑超极化，抑制浦肯野细胞输出，并降低小脑-脑抑制（cerebellar-brain inhibition, CBI20）。这一观点得到了以下发现的支持：在算术任务中，小脑与前额叶皮层之间的功能连接（即，小脑-丘脑-皮层通路10）对任务类型和难度具有敏感性43。实验一的结果无法用小脑对运动控制贡献的变化来解释，因为PASAT与PASST在运动控制方面的要求相似，但完成减法与加法所需的认知过程存在差异。因此，该实验结果提示，小脑tDCS对认知的影响可能是任务特异性或负荷依赖性的。在实验二中，阴极刺激在语言任务中也选择性地改善了任务表现，表现为受试者在连续五轮试验中，针对视觉呈现的名词生成动词的反应速度更快且反应时更加稳定。这种启动效应补充了实验一的结果，也与其他研究发现一致：左侧背外侧前额叶皮层（DLPFC）的阳极tDCS可改善言语流畅性40和图片命名潜伏期41,44——支持了在右侧小脑半球施加阴极tDCS后也可能观察到类似促进模式的假设（如实验二所见）。综合来看，这些发现进一步支持小脑在语言、学习与记忆中发挥间接作用45，并强化了小脑能够影响前额叶皮层认知过程的观点——而前额叶皮层正是许多工作记忆（WM）操作的关键脑区。

认知功能增强在生理学上是合理的，因为小脑通过激活cerebro-cerebellar通路，远端调节背外侧前额叶皮层（DLPFC）的兴奋性。Hamada及其同事的研究进一步描述了小脑与前额叶皮层之间的耦合证据：当感觉/运动刺激以25 ms的间隔配对时，可诱导出联合性突触可塑性（即配对关联性刺激，PAS），而这种可塑性可被小脑经颅直流电刺激（cerebellar-tDCS）所阻断46。此外，已有研究表明，对小脑进行每日一次的经颅磁刺激（TMS）可改善小脑萎缩患者的身体姿势控制、行走能力以及双任务执行能力47。这些运动和认知功能的改善伴随着运动皮层刺激诱发的运动诱发电位增强，尤其是在小脑被提前数毫秒激活的情况下（通过双线圈、双脉冲TMS进行检测），其机制与小脑-脑抑制（CBI）的减弱有关，且该效应在治疗后可持续达6个月。Farzan等人47认为，认知功能的改善可能是运动功能提升以及双任务执行过程中资源得以释放的结果。TMS诱导的CBI降低也可能通过激活cerebro-cerebellar环路，直接改善前额叶皮层功能，从而提升认知能力。后一种解释与本文所述方法所观察到的结果一致，即通过小脑tDCS选择性地改善言语工作记忆（verbal WM）的操作程序。

本文所述方法表明，对小脑进行电刺激可以调节认知功能，并在需要较高认知负荷的任务中提升表现。这一发现与刺激背外侧前额叶皮层（DLPFC）所产生的积极效应相似：后者可长期改善算术表现2，并促进解决难题时的方案生成，但对简单问题无此作用3。事实上，对健康受试者前额叶皮层施加经颅直流电刺激（tDCS）可提升多种认知任务中的表现4,5，因此研究人员已开始将脑电刺激用作治疗中风后患者48以及帕金森病患者41认知缺陷的治疗工具。实际上，tDCS 的未来发展方向之一是作为诱导大脑持久改变以调节行为的工具。出于显而易见的原因，将 tDCS 作为一种脑刺激疗法在患者群体中加以探索具有重要意义24。

本文中，使用经颅直流电刺激（tDCS）成功调节认知功能最关键的步骤包括：1）根据受试者的实际表现水平调整任务难度；2）将刺激电极稳定且准确地放置于目标脑区；3）确保在刺激全程中两个电极均保持湿润，以防止刺激设备因接触不良而自动关闭（必要时可用额外生理盐水润湿）。此外，还应向受试者充分说明（以减轻焦虑），刺激过程中产生的感觉通常在数秒内即会消失，之后便无法察觉tDCS的存在。未来的研究改进方向可能包括在任务执行期间施加tDCS（即刺激与行为过程重叠），以探究其在线效应。此时，应比较主动刺激与基线条件（即，阳极刺激 vs. 假刺激和/或阴极刺激 vs. 假刺激）下的任务表现，而非比较刺激前后的表现差异。从利用tDCS改善认知功能障碍症状的角度出发，探索直流电刺激的长期有效性也具有重要意义，同时可结合可能产生更强效应的行为范式。这可能涉及采用多个短时刺激时段连续施加（而非单次长时段刺激）的方案，使后续的tDCS会话“补充”前一次会话的效果。多次刺激可能带来表现的累积性提升，而非单次会话中缓慢发展的较小变化。Brunoni及其同事49已对tDCS在临床研究中的此类挑战及未来发展方向进行了综述。

只有在更好地理解并掌握经颅直流电刺激（tDCS）的操作方法之后，其作为治疗某些疾病认知症状的治疗工具的潜力才能得以实现。例如，最近研究发现，tDCS对运动皮层的作用在不同个体之间表现出高度变异性，且并不总是具有极性特异性22,23。对于tDCS在认知领域的作用，也有类似的报道23。目前关于tDCS神经增强效应的总体数据仍然有限。但有可能的是，当受试者需要充分投入一项困难的认知任务，或因任务对工作记忆（WM）和注意力资源要求较高而难以完成时，小脑部位的离线tDCS效应最有可能改善行为表现。这一观点提示，小脑tDCS对认知的影响可能是任务依赖性或负荷依赖性的：其机制可能是通过增强刺激期间 cerebro-cerebellar 通路中活跃脑区的认知功能所介导。我们数据的这一解释与当前关于tDCS对认知的在线效应的理解高度一致，后者被认为对刺激期间活跃神经网络的状态敏感50。如果完成任务时已有足够的认知资源可用，tDCS可能不会引起行为表现的变化；只有当系统被充分调动、需要动用更多资源时，tDCS才可能产生影响。事实上，功能性磁共振成像（fMRI）研究显示，额顶网络中的神经活动与任务复杂度的增加呈正相关51。

综上所述，本文描述了一种脑刺激方法，该方法在一系列认知负荷不同的信息处理任务期间，采用经颅直流电刺激（tDCS）刺激小脑。结果表明，在认知要求较高且难度较大的任务中，小脑活动的阴极抑制（而非阳极兴奋）能够改善任务表现。我们推测，这种效应可能是通过解除对前额叶皮层工作记忆区域的抑制实现的：在某些任务难以完成时，释放额外的认知资源。目前亟需更深入地理解决定tDCS有效性的个体差异因素，这些认识有望通过进一步的研究获得，同时也有助于优化在健康人群和患者群体中实施电脑刺激的方案。因此，未来的研究方向可致力于将经颅电刺激作为一种认知康复工具，通过调节大脑-小脑环路来改善某些疾病的认知症状。

披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

致谢：本工作由惠康信托基金（Wellcome Trust）资助项目 WT087554 支持。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
耳机BeyerdynamicDT234 Pro确保在测试间隔期间麦克风不会偏离受试者的嘴部位置。
直流刺激器MagstimDC Stimulator Plus电极放置是影响经颅直流电刺激（tDCS）效果的关键成功因素
刺激呈现与记录软件 www.neurobs.comPresentation (Version 14.2)在实验一中，保持每位受试者在不同会话间的刺激呈现速率一致

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