对韦尼克区和布罗卡区的经颅直流电刺激（tDCS）在语言学习与词汇习得研究中的应用

摘要

本文介绍了一种用于心理语言学和神经语言学实验的经颅直流电刺激方案，旨在以自然但完全可控的方式研究人类大脑皮层区域在词汇学习中的作用，并提供了一套全面的行为学方法用于评估实验结果。

摘要

语言是人类大脑一项极为重要但尚未被充分理解的功能。尽管关于语言理解过程中大脑激活模式的研究已十分丰富，但往往缺乏对特定脑区参与某一语言功能的因果性证据，这在很大程度上是由于语言能力具有独特的人类特异性，以及可用于无创研究人脑因果关系的神经生理学工具仍显不足。近年来，经颅直流电刺激（transcranial direct current stimulation, tDCS）在人脑研究中的应用迅速增加。tDCS是一种简便、低成本且安全的非侵入性技术，可通过改变神经元的兴奋/抑制阈值来调节被刺激脑区的状态，从而研究该脑区对特定功能的具体贡献。虽然目前tDCS的应用主要集中于运动控制领域，但其在高级认知功能（包括语言）的基础与临床研究中的应用正日益广泛。然而，其具体操作流程仍存在较大差异。本文介绍tDCS在一项心理语言学词汇学习实验中的应用，详细阐述在人脑左侧半球布罗卡区和韦尼克区等核心语言区域实施阴极与阳极刺激的技术与操作步骤，描述构建平衡的心理语言学刺激材料集、建立受控但接近自然的学习范式，以及评估学习效果和tDCS效应的一整套综合技术方法。作为tDCS应用的示例，我们展示在学习前对韦尼克区进行阴极刺激可影响词汇学习效率。这种影响不仅在学习后立即显现，更重要的是，在刺激的生理效应消退后的较长时间内仍然保持，提示tDCS可能对人脑中的语言存储与表征产生长期影响。

引言

人类语言功能的神经生物学机制至今仍知之甚少。作为我们沟通能力的基础，这一独特的人类神经认知特征在个人生活及社会经济活动中具有极为重要的作用。任何影响言语和语言功能的障碍都会给患者带来严重损害，并给社会造成高昂代价。与此同时，在临床实践中，针对言语障碍（如失语症）的治疗方法仍不理想，这在很大程度上归因于对相关神经生物学机制的理解不足。¹在研究中，神经影像学方法的近期出现与快速发展已促成多项描述脑激活模式的发现；然而，因果证据往往仍然缺乏。此外，大脑的语言区域位置对于应用主流神经刺激技术（可提供因果证据，其中最重要的是经颅磁刺激技术（TMS））而言，处于相对不利的位置。而离线TMS方案（如theta爆发刺激）由于刺激部位邻近肌肉，可能引起疼痛。 "在线" TMS 刺激方案可能引入由刺激产生的声音伪影，由于存在干扰，这种情况是不希望出现的 使用语言刺激呈现²尽管存在这些不便，经颅磁刺激（TMS）仍在语言研究中被广泛使用；而其他刺激方法，尤其是经颅直流电刺激（transcranial direct-current stimulation, tDCS），可能提供一种更受欢迎的替代方案。近年来，由于tDCS具有易获取性、操作简便、相对安全以及常产生显著效果等优点，其应用已显著增长。³尽管经颅直流电刺激（tDCS）影响神经活动的确切机制尚未完全阐明，但主流观点认为，至少在低强度....

方案

所有实验程序均经圣彼得堡国立大学圣彼得堡当地研究伦理委员会批准，并已获得所有参与者的知情同意。

注意：所有参与者必须签署知情同意书，并填写问卷以确认不存在经颅直流电刺激（tDCS）的任何禁忌症（参见Willamar及其同事关于4×1环形高分辨率经颅直流电刺激（HD-tDCS）技术与注意事项的研究¹²），同时收集与本研究相关的其他数据，如视力、人口统计学信息、语言经验及利手情况。关于利手评估，推荐采用Oldfield的经典研究方法¹³。

1. 受试者与实验环境

1. 在典型的语言实验中，确保所有受试者均为右利手，且无语言障碍、神经或精神疾病史。必须控制其母语及双语/多语状态。
2. 所有测量均应在隔音或至少消声的实验室内进行。声音隔离非常重要，因为任何外界声音、噪声、人类言语等均可能显著影响受试者表现，从而干扰数据（图1）。
3. 为避免不必要的受试者与实验人员接触造成干扰，仅将显示屏、耳机/扬声器以及任何输入设备（键盘、按钮盒）置于实验室内。除非必须进行面对面接触，否则所有与实验人员的交流均应通过内部对讲系统完成。
4. 根据大量预实验结果，采用以下最佳参数设置背景颜色和字体大小：灰色背景（RGB：125, ....

结果

尽管数据是针对特定任务集进行分析的，但需要强调的是，所开发的测试集和实验范式可适用于多种心理语言学实验。结果通过准确率得分（正确回答的数量）和反应时（RT）进行分析，组间比较（阴极刺激与假刺激条件）采用非参数的Wilcoxon符号秩检验和Mann-Whitney U检验。各组内任务的显著差异见表3；下文重点阐述与刺激相关的主要结果（描述性统计信息见表2）。

在词汇判断任务中，两组（阴极刺激与假刺激条件）在第一天对竞争性伪词的准确率上表现出差异：阴极刺激后的准确率提升幅度大于假刺激后（р ≤ 0.041），提示阴极刺激后词汇竞争减弱。在识别任务中，无论是第一天（р ≤ 0.034）还是第二天（р ≤ 0.09），假刺激后的新生词识别准确率均优于阴极刺激后，提示刺激后词汇学习效率降低。两项任务中，各组间的反应时均未出现显著差异。语义任务的结果显示，仅在第二天，阴极刺激组在新生形式意义与表层.......

讨论

研究结果凸显了在开展心理语言学研究，尤其是神经语言学经颅直流电刺激（tDCS）研究时，需要考虑的一些重要问题。对语言皮层（本研究以韦尼克区为例）的刺激会产生复杂的行为效应模式。与经颅磁刺激（TMS）技术不同，后者可完全中断言语加工过程（例如所谓的“言语抑制”"speech arrest"范式）²¹，而本方法可能对语言加工机制产生更为复杂、分级且细微的影响。我们发现，在不同条件、测试任务和评估时间点之间，准确率和反应时的差异表现出显著的多样性。下文将简要讨论本实验方案的技术意义。

为了区分各种效应，需要进行一系列不同的测试，以评估短期和长期记忆、词汇通达、语义加工等不同层面的认知过程。例如，此处的效应包括在不同任务中的表现差异 不同刺激类型和刺激条件下对各类刺激的回忆与再认表现存在差异，表明新词与旧词在词汇竞争效应上的不同，以及经颅直流电刺激（tDCS）在词汇和语义层面作用效果的分化。我们的结果证实，所采用的任务能够敏感地反映新词在不同层面习得效率的差异，包括再认、词义理解以及自由回忆。