Name: 用于增强内存的颅外直接电流刺激 （tDCS） (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-09-18T15:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 37 s
Description: 了解经颅直流电刺激（tDCS）增强记忆的实验方案，该方案通过刺激背外侧前额叶和后顶叶皮层来提升工作记忆与联想记忆能力，适用于健康人群及衰老与痴呆研究。

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本研究由塞尔维亚共和国科学基金PROMIS资助，项目编号#6058808，MEMORYST

本方案已获得机构伦理委员会批准，符合《赫尔辛基宣言》及人体研究相关指南。
1. 材料
注意：每次 tDCS 刺激 session 前需准备以下材料（图 1）。
<ol>
	<li>获取经颅直流电刺激（tDCS）设备——仅使用电池驱动的tDCS设备，或与市电连接但具备光学隔离的tDCS设备。该设备应作为恒流刺激器运行，最大输出电流最好限制在几毫安范围内。设备必须获得用于人体的监管批准。</li>
	<li>获取橡胶电极——可使用5 cm × 5 cm的方形电极或25 cm2的圆形电极。对于1.5 mA–2 mA的电流，这些电极对应的电流密度分别为0.06 mA/cm2至0.08 mA/cm2。</li>
	<li>准备适配橡胶电极的海绵套。若海绵套过大，会增加与皮肤的接触面积。</li>
	<li>准备生理盐水溶液（标准0.9% NaCl）。</li>
	<li>准备酒精（70%）。</li>
	<li>获取可调节的硅胶帽——也可使用头带固定，但脑电（EEG）用硅胶帽能更好地适配受试者头部的大小与形状，因此在电极放置时更为舒适。</li>
	<li>获取卷尺（柔韧材质，如塑料或织带）。</li>
	<li>获取皮肤标记笔——可使用皮肤标记铅笔或多种化妆品（如眼线笔或眼影笔），后者可能更为方便，因其经过皮肤科测试且易于清除。</li>
	<li>获取棉片。</li>
	<li>获取梳子和一次性迷你硅胶发圈。</li>
	<li>获取注射器或塑料移液管。</li>
	<li>准备实验记录表——填写有关实验会话的基本信息，如受试者编号、研究编号、日期、时间、备注等（示例见附录）。</li>
	<li>准备一张包含预先计算的头部测量值的表格，以辅助电极定位。 
	​注意：为加快操作速度并减少出错可能，建议提前准备好该表格。测量依据10-20脑电电极定位系统；计算所用数值为鼻根-枕外隆凸/左右耳前点间距（见下文）。该表格提供一系列距离值对应的20%数值。我们发现将此表格嵌入实验记录表中最为便捷（见附录）。</li>
	<li>准备问卷。每次实验会话前后需收集经颅直流电刺激（tDCS）期间的感觉与副作用信息；刺激过程中的感觉及（不）舒适程度；情绪与总体主观状态（如清醒/疲倦感）。</li>
</ol>
<img alt="静电实验示意图；材料包括电源、导线、刷子、移液管。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62681/62681fig01.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图1"> 
图1：tDCS实验所用材料（详见正文）。 1) tDCS设备；2) 电极；3) 海绵；4) 生理盐水溶液；5) 酒精；6) 硅胶帽；7) 卷尺；8) 皮肤标记笔；9) 棉垫；10) 梳子和硅胶发带；11) 注射器 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62681/62681fig01large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
2. 编程刺激方案
注意：编程 tDCS 协议的具体步骤因 tDCS 系统/设备而异。然而，所有 tDCS 设备均提供基本功能——能够产生所需刺激强度的恒定电流、具备逐步上升和下降电流的能力，以及设定刺激持续时间的方法。诸如θ振荡 tDCS 等更高级的协议，则需要支持自定义刺激方案的设备或系统。
<ol>
	<li>恒定阳极tDCS
	<ol>
		<li>将标准的恒定阳极tDCS方案（图2A）定义为：（1）30秒的渐强期，期间电流强度从0 mA逐渐上升至目标强度（我们通常使用1.5 mA，但也可使用其他强度，前提是保持在安全限值内）；（2）刺激期，期间以恒定的目标电流强度（例如1.5 mA）持续刺激；以及（3）30秒的渐弱期，期间电流强度逐渐降低至0 mA。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
<img alt="波形分析示意图；阶跃信号、振荡、三角波形；图形可视化。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62681/62681fig02.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图 2"> 
图 2：经颅直流电刺激（tDCS）方案：（A）恒定阳极 tDCS；（B）θ振荡 tDCS；（C）伪刺激 tDCS。 淡入期以橙色标记；淡出期以绿色标记。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62681/62681fig02large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<ol fo:break-after="page" start="2">
	<li>θ节律振荡性经颅直流电刺激（theta oscillatory tDCS）
	<ol>
		<li>θ节律振荡性经颅直流电刺激（theta-oscillatory tDCS）传递强度变化的电流，但不切换极性（图2B）。因此，定义如下电流传递波形：（1）30秒的渐强期，电流强度从0 mA逐渐上升至目标强度（例如，1.5 mA）；（2）19分钟的刺激期，电流在预设的振幅范围内围绕目标强度振荡（我们通常采用目标强度±0.5 mA的振幅范围），并以选定频率振荡（我们通常采用5 Hz频率作为θ节律的代表）；（3）30秒的渐弱期，将电流强度降至0 mA。 
		注意：该方案可通过任意实验控制软件（例如，CED Signal）生成，并通过与所用tDCS设备兼容的智能接口（例如，CED 1401系列设备）传递。除tDCS外，一些更先进的专用经颅电刺激（tES）系统还可传递交流电刺激（tACS）和随机噪声刺激（tRNS），也可用于生成振荡性tDCS方案。例如，在StarStim系统中，θ节律振荡性tDCS方案被定义为tDCS（1.5 mA）与tACS（±0.5 mA，5 Hz）的线性组合。此类方案可实现个性化设置，即并非所有受试者均接受相同频率（如5 Hz）的振荡刺激，而是根据每位受试者θ频段内的主导频率调整刺激频率（例如，受试者1：5 Hz，受试者2：6 Hz，受试者3：4.5 Hz等）。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
   
<ol start="3">
	<li>假性tDCS
	<ol>
		<li>采用与恒定/振荡tDCS相同持续时间的假性刺激方案（图2C）。具体定义如下：（1）第一个渐入/渐出阶段，在最初的60秒内将电流逐渐升高至目标强度（例如，1.5 mA），然后再逐渐降低至0 mA；（2）随后保持0 mA持续18分钟；（3）第二个渐入/渐出阶段，持续时间同样为60秒。 
		注意：另一种替代方法是在整个刺激期间（20分钟）使用极低的电流强度。此类假性刺激方案的程序设置与阳极刺激相同（仅将电流强度设为0.1 mA），旨在产生皮肤感觉，但其强度过低，不足以引发任何生理效应33。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 电极放置（图3）
<ol>
	<li>DLPFC 电极放置：为刺激 DLPFC，将目标（阳极）电极置于国际 10-20 EEG 系统的 F3（左侧）或 F4（右侧）。将返回电极（阴极）置于对侧脸颊——即 F3 阳极对应右侧脸颊，F4 阳极对应左侧脸颊。</li>
	<li>PPC 电极放置：为刺激 PPC，将目标（阳极）电极置于国际 10-20 EEG 系统的 P3（左侧）或 P4（右侧）。将返回电极（阴极）置于对侧脸颊，放置方式与 DLPFC 电极蒙太奇相同。</li>
	<li>目标电极的定位
	<ol>
		<li>在受试者头部定位 F3
		<ol>
			<li>使用卷尺测量鼻根（鼻梁最凹陷处）至枕外隆突（枕外隆突最突出点）之间经过头顶的距离。用皮肤标记笔沿该距离中点画一条细线。</li>
			<li>测量两侧耳部之间（以耳前点为参考）经过头顶的距离，并用细线标记其中点。</li>
			<li>找到两条中线交点处的顶点或中线中央位置，即 Cz。用皮肤标记笔清晰标记该点。</li>
			<li>再次测量鼻根至枕外隆突的距离，但此次路径经过 Cz，并将该距离记为测量值 A。再次测量两耳之间的距离，路径也经过 Cz，并将该距离记为测量值 B。</li>
			<li>计算距离 A 的 20% 和距离 B 的 20%（或参见实验方案表中的预计算数值）。</li>
			<li>从 Cz 沿鼻根-枕外隆突线向前移动距离 A 的 20%，到达 Fz（中线额部），并标记该位置。</li>
			<li>从 Cz 沿耳间连线向左移动距离 B 的 20%，到达 C3（左侧中央），并标记该位置。</li>
			<li>从 C3 沿与鼻根-枕外隆突线平行的方向向前移动距离 A 的 20%，并从 Fz 沿与耳间连线平行的方向向左移动距离 B 的 20%，两者的交点即为 F3。用皮肤标记笔标记 F3，并将电极中心置于该点。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>定位 F4 时，采用相同步骤，仅在头部右侧进行。</li>
		<li>在受试者头部定位 P3
		<ol>
			<li>按照上述步骤 3.3.1.1–3.3.1.5 进行操作（确定 Cz，记录距离 A 和 B，计算 20%）。</li>
			<li>从 Cz 沿鼻根-枕外隆突线向后移动距离 A 的 20%，到达 Pz（中线顶叶），并标记该位置。</li>
			<li>从 Cz 沿耳间连线向左移动距离 B 的 20%，到达 C3，并标记该位置。</li>
			<li>从 C3 沿与鼻根-枕外隆突线平行的方向向后移动距离 A 的 20%，并从 Pz 沿与耳间连线平行的方向向左移动距离 B 的 20%，两者的交点即为 P3。用皮肤标记笔标记 P3，并将电极中心置于该点。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>定位 P4 时，采用相同步骤，仅在头部右侧进行。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>返回电极的放置
	<ol>
		<li>在用可调节硅胶帽固定目标电极后（参见逐步操作流程），将返回电极插入下巴带下方，以确保电极与对侧脸颊保持良好接触。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
<img alt="脑电图电极放置示意图，10-20系统指导脑部监测，电极位置已标注。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62681/62681fig03.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图3"> 
图3：电极放置方案。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62681/62681fig03large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
4. 逐步操作流程
<ol>
	<li>在tDCS会话之前
	<ol>
		<li>检查每位参与者是否符合研究伦理审批中定义的纳入标准（参见附录了解最常见的纳入/排除标准）。</li>
		<li>请参与者填写参与者信息表（包括年龄、性别、尼古丁/酒精摄入情况等相关信息34）。</li>
		<li>遵循机构审查委员会的伦理指南，要求参与者签署知情同意书。借此机会向参与者解释他们将接受的操作的基本内容，并回答他们可能提出的任何问题。</li>
		<li>根据研究设计，在基线状态下进行认知功能评估（记忆和/或其他认知功能）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>tDCS设置与刺激
	<ol>
		<li>让参与者舒适地坐在椅子上。</li>
		<li>请参与者填写tDCS前的感觉检查清单，并报告其整体状态（即当前情绪；清醒/疲劳程度——这些可通过单一Likert量表条目或标准化问卷如简式情绪内省量表35进行评估）。</li>
		<li>使用卷尺测量头部尺寸。</li>
		<li>为定位DLPFC或PPC，请遵循上述程序（电极放置）。在每位参与者的实验记录表中记录测量数据，以便在后续会话中进行核对。</li>
		<li>为提高导电性，将刺激部位的头发拨开（长发参与者可使用梳子和发带固定）。</li>
		<li>检查刺激部位皮肤是否有任何损伤迹象，避免在受损皮肤上放置电极。</li>
		<li>使用浸有酒精的棉片清洁将要放置电极的皮肤表面，以去除油脂、污垢等，并使其自然干燥（若参与者面颊化妆较重，可使用卸妆产品）。</li>
		<li>将硅胶帽戴在参与者头上，并用下颌带固定。暂时不要将帽子系紧（稍后调整）。</li>
		<li>将海绵口袋用生理盐水浸湿，并将电极放入其中。海绵应保持湿润但不滴水；通常每个海绵使用10–15 mL生理盐水即可。若海绵过干，会导致电阻过高，导电性差，甚至中断电路连接。 
		注意：大多数tDCS设备配有电阻指示器，但仍需定期检查海绵湿度。反之，若海绵过湿，可能在刺激过程中导致电流在头部偏移。建议保持海绵中等湿润，并在实验过程中若发现过干时，使用注射器补充生理盐水。</li>
		<li>将海绵电极置于硅胶带下方，使目标电极中心对准标记的头部位置。将返回电极置于对侧面颊。使用硅胶带调整帽子以贴合参与者的头型和头围。帽子应固定牢固，防止电极移动，同时仍需确保参与者舒适。</li>
		<li>打开刺激器，选择并运行预设的tDCS方案（真实阳极刺激或伪刺激）。</li>
		<li>请参与者放松，并在刺激开始的最初几分钟内（1–3分钟）报告其感受。解释说明这些感觉会随着适应或注意力转移到其他活动上而逐渐减弱。</li>
		<li>为避免无结构活动干扰刺激效果，在tDCS期间应采用轻度认知参与。例如，参与者可在刺激期间（刺激开始3–5分钟后）进行认知任务的练习试验或参与简单的记忆游戏。此类刺激期间的认知参与有助于增强tDCS效应，并帮助参与者忽略由tDCS引起的皮肤感觉。</li>
		<li>在刺激过程中多次询问参与者感受（例如，每5分钟在10分制量表上报告一次不适程度，1表示完全无感，10表示极度强烈）。部分参与者在刺激渐入/渐出阶段可能出现较高程度的不适（>6）。若不适程度在5分钟后仍持续较高，则应中止刺激。</li>
		<li>预设刺激程序结束后，关闭刺激器。</li>
		<li>先取下海绵电极，再取下硅胶帽。</li>
		<li>请参与者填写tDCS后的感觉检查清单，并报告任何未列出的不良反应。</li>
		<li>清洁标记过的皮肤部位，并检查皮肤变化情况。若出现皮肤反应（如局部血管扩张，即面颊发红），应持续观察直至消退，这通常是皮肤敏感者的短暂反应，通常在10–15分钟内消失。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>记忆评估
	<ol>
		<li>为在参与者之间标准化评估流程，建议使用计算机化评估工具，即具有自动评分功能的记忆任务。多种工作记忆（WM）任务（如言语和空间3-back任务）和情景记忆（AM）任务（言语配对学习、面孔-词语线索回忆、物体位置等）可在此获取：https://osf.io/f28ak/?view_only=f8d5e8dd71d24127b3668ac3d8769408</li>
		<li>为评估tDCS对记忆影响的特异性，建议包含控制任务，即涉及其他认知或运动功能的任务。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>实验会话/研究结束
	<ol>
		<li>在研究的（最后一次）实验会话结束后，请参与者尝试判断其在哪些会话中接受了真实刺激或伪刺激。记录所有回答，并检查其正确比例是否高于偶然概率。若未高于偶然水平，则表明设盲成功。若参与者能够区分真实与伪刺激，则应分别分析正确与未正确判断者的数据，以检验设盲失败是否影响了tDCS效应。</li>
		<li>根据伦理指南，在参与者完成研究后，应详细进行事后说明。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>实验会话后
	<ol>
		<li>用流动水和肥皂清洗海绵，彻底去除残留的生理盐水。在收纳前确保海绵完全干燥。</li>
		<li>使用温水和酒精清洁所有可重复使用的材料，包括梳子、硅胶帽和卷尺。</li>
		<li>记录会话期间发生的任何异常、意外或未计划的事件——包括设备故障、参与者的相关评论、中断等情况。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露

经颅直流电刺激（tDCS）对记忆影响的研究结果取决于多种因素，其中一些因素，例如样本的同质性/异质性、足够的统计效能、记忆任务的难度以及参与者的动机，此前已有讨论（参见 Berryhill, 2014）。目前已有许多关于 tDCS 方法的优秀论文，以及更广泛的关于应用 tDCS 研究认知功能的教程，这些资料同样可很好地应用于记忆研究（参见17,43,44,45,46,47）。本文将重点关注我们经验中认为重要但常被忽视或未被充分讨论的实验方案中的若干方面。
回流电极的放置。需要牢记的是，回流电极并非被动电极，而是负极性端（即阴极），因此它可能产生与目标电极相反的生理效应。此外，电流的流向不仅取决于目标电极的位置，也取决于回流电极的位置。再者，由于电流会沿着电阻最小的路径流动，如果阳极和阴极距离过近，电流可能仅在皮肤表面和/或电极之间的脑脊液中流动，从而无法影响皮层组织。基于这些原因，回流电极的谨慎选择与目标电极的位置同等重要。已有荟萃分析证据表明，颅外阴极更有可能产生显著效应48。为增强记忆功能，将回流电极置于对侧脸颊是基于电流流向建模的结果，并特意避免在功能无关的脑区产生负极性带来的潜在混杂效应。此前的工作记忆（WM）研究中已成功采用将回流电极置于对侧脸颊的方案（见36,37,38,49），该位置也用于自传体记忆（AM）研究27,39,40），并被强调为调节其他认知功能的经颅直流电刺激（tDCS）电极布局中的一个良好选择45。
设盲。 在单盲实验中，为确保参与者被设盲，刺激器和/或监测显示器的位置应置于参与者视线之外。当使用带有指示灯以显示设备开启和/或正在输出电流的刺激器时，这一点尤为重要。对于双盲设计（即参与者和实验者均不知晓所实施的实验方案），应使用设备提供的双盲选项或类似功能。如果设备无此选项，则建议采用双实验者流程：即一名实验者仅负责执行刺激方案，而另一名实验者负责引导参与者完成实验（包括后续的记忆任务）并分析数据，在刺激开始前及刺激过程中离开房间。按照方法学标准，双盲实验优于单盲设计，因其可减少偏倚或&#34;实验者&#34;效应。这一点在开展临床试验和/或采用基于访谈的认知功能评估时尤为重要。然而，当参与者高度积极以最大化自身表现（这在记忆评估或总体认知增强研究中较为常见），且任务的实施与评分均为自动完成（即实验者在评估阶段几乎不参与）时，对实验者的设盲则相对不那么关键。
经颅直流电刺激（tDCS）期间的活动。 tDCS 研究论文的作者很少报告受试者在刺激期间进行了何种活动。当未明确说明活动内容时，通常默认受试者被要求安静地坐着并放松。然而，缺乏结构化的活动会为实验引入不可控的&#34;噪声&#34;。具体而言，20 分钟的时间相对较长，部分受试者可能会利用这段时间放松（甚至可能入睡），而另一些人则可能专注于 tDCS 带来的感知，或陷入反复思考，过度关注与 tDCS 无关的话题。有证据表明，在 tDCS 期间进行与目标功能相关但不引起疲劳的活动，可能增强 tDCS 的效果50。因此，在我们的实验中，受试者会执行用于结局评估的记忆任务的练习试验，或类似的记忆任务。选择练习试验是较为理想的，因为它们激活了与目标功能相同的神经网络，但难度较低，因此不会使受试者感到挫败或疲劳。此外，在刺激期间进行练习试验还能有效节省时间，减少 tDCS 后的测试时长，这一点在研究设计中包含多个 tDCS 后需完成的任务时尤为有利。然而，练习试验通常远短于 20 分钟，因此还需提供其他替代性活动。为此，我们采用了常见的记忆游戏40，这些游戏能使受试者保持专注，帮助他们打发时间，转移对 tDCS 诱发感觉的注意力，从而整体上提升其在测试环境中的舒适度。在选择 tDCS 期间执行的记忆任务时，需注意任务既不应过于困难，也不应过于乏味（在此背景下，设定为 80% 正确率的自适应任务较为合适）；任务所用材料不应干扰后续的记忆评估（例如，在评估面孔和词语记忆时，可使用抽象图像/形状配对）。另一个重要问题是&#34;适应期&#34;的持续时间，即刺激开始后多久受试者才应开始进行&#34;分散注意力的活动&#34;。个体在感觉强度和适应时间上存在差异，但大多数受试者在刺激开始 3 至 5 分钟后即可准备开始活动。
皮肤感觉。部分受试者可能对经皮直流电刺激（tDCS）效应更为敏感，因此可能会报告不适感增强，尽管这种情况并不常见。重要的是在实验开始前告知受试者他们可能体验到的潜在感觉。如果有人对操作感到恐惧，我们通常会让受试者在将海绵电极放置于头部之前，先在手上&#34;感受&#34;一下电流。应持续监测受试者，并定期询问其舒适度和感觉反馈。若受试者报告不适感增加，应始终提供终止实验的选项。必须确保受试者清楚，只要提出要求，刺激可在任何时候停止。如果受试者决定终止刺激，应缓慢降低电流（突然中断刺激程序可能引发更强烈的感觉）。通常建议，当出现不适感觉时，暂时将电流强度降低至受试者可耐受的最高水平，待其适应后再逐步恢复至目标强度。这似乎是终止刺激程序的一种适当替代方案，尤其是在临床环境中使用tDCS时。然而，当tDCS用于研究目的，特别是样本量相对较小的情况下，确保所有受试者接受完全相同的操作程序至关重要。因此，相较于暂时降低部分受试者的刺激强度，更推荐直接终止实验。
报告经颅直流电刺激（tDCS）的方法学及潜在混杂因素的监测。 tDCS研究领域在方法和测量方面具有高度异质性，因此明确报告tDCS操作的各个方面至关重要，包括设盲程序及评估；靶区电极的头部定位以及回路电极的位置；电极的大小和形状；所使用的导电介质类型（生理盐水或凝胶）；电流强度（mA）和电流密度（mA/cm2），以及渐入/渐出阶段的持续时间；若进行了测量，需报告阻抗水平；刺激的总持续时间（包括渐入/渐出阶段）；受试者在刺激期间所进行活动的详细记录；刺激后认知任务的开始时间与持续时间（包括任何休息时间）。此类信息有助于对已发表研究进行标准化和系统性分析（例如参见近期综述51）。目前很少被报告的内容包括一些可能起调节或混杂作用的变量，例如tDCS会话进行的时间（一天中的时段）、受试者报告的疲劳程度/情绪状态、设盲的成功情况（即受试者对自己所接受刺激类型的信念）、被试内设计中实验会话的顺序等。已有研究表明，大多数这些变量可能调节tDCS的效果，但其影响仍缺乏充分研究且报告不一致。因此，tDCS研究应确保收集并报告所有可能的混杂变量；有关良好实践的详细信息，请参见Antal及其同事提供的表10A、10B和1134。
应用所述的阳极经颅直流电刺激（tDCS）方案，无论是标准形式还是更先进的形式（即振荡调制型tDCS），不仅为增强记忆功能（以及在临床人群中的潜在应用）提供了手段，同时也可用于研究支撑这些功能的神经网络的神经生物学机制。

记忆在日常活动中起着至关重要的作用，它使人们能够记住有关人物和地点的信息、回忆过去的事件、学习新的知识和技能，以及做出判断和决策。本文重点关注两种类型的记忆——工作记忆（WM）和联想记忆（AM）。工作记忆使我们能够暂时维持和存储信息，以支持正在进行的认知加工1，而联想记忆则使我们能够记住多个相互关联的经历或信息。因此，这两种记忆类型几乎支撑着所有日常活动。然而，记忆是最易受损的功能之一，会随着正常衰老以及多种病理状态和疾病条件而衰退。工作记忆和联想记忆的衰退在轻度认知障碍2,3 和痴呆症4,5 中表现显著，也在正常衰老过程中有所体现6,7。由于记忆障碍与较高的疾病负担8,9密切相关，并显著影响生活质量10,11,12,13，因此迫切需要开发预防和治疗记忆衰退的新方法。
经颅直流电刺激（tDCS）是一种有前景的工具，可用于应对记忆衰退14,15,16，并有助于更深入地理解大脑功能17。tDCS 是一种非侵入性脑刺激技术，通过使用微弱电流（通常在 1 mA 至 2 mA 之间）影响神经元膜的兴奋性，从而调节大脑活动。tDCS 的效应具有极性依赖性，即阳极刺激增强神经元兴奋性，而阴极刺激则降低兴奋性。具体而言，阳极 tDCS 通过使神经元膜去极化，提高动作电位的发放概率，从而增强阳极下方区域的自发性脑活动18。此外，研究表明，激活增强的效果不仅局限于局部，还倾向于扩散至中枢神经系统中其他功能相连的区域。因此，阳极 tDCS 预期可促进依赖于靶向脑区及功能上相互连接脑区的认知功能，而阴极 tDCS 则预期产生相反效应。
经颅直流电刺激（tDCS）相较于其他脑刺激技术具有多项优势：（1）tDCS 安全性高，即不会带来健康风险，也不会引起任何负面的短期或长期结构或功能改变19；（2）在各类脑刺激技术中，tDCS 的耐受性最高，仅在刺激电极下方引起轻微的刺痛感和瘙痒感，使受试者不适感最小20；（3）tDCS 具有较高的成本效益，其设备和应用成本比其他治疗方案低十到百倍，对患者和医疗系统均具有吸引力；（4）tDCS 操作简便，因此具有在家庭环境中应用的高潜力，有助于提高患者的依从性，并降低医护人员和医疗机构的成本。
使用经颅直流电刺激（tDCS）增强记忆的主要挑战在于找到能够对记忆产生可靠效应的最佳电极构型和刺激方案。本文中，“电极构型”指电极的配置及其位置（即靶电极和参考电极（返回电极）的放置位置）。由于电场的特性，参考电极（返回电极）并非中性，其极性与靶电极相反，因此也可能对下方的神经组织产生生物学（神经调节）效应。因此，谨慎选择参考电极对于避免刺激带来的非预期附加效应至关重要。
当使用该术语时 刺激方案， 我们将经颅直流电刺激（tDCS）的参数定义为施加电流的持续时间、强度，以及电流强度随时间变化的方式（例如，刺激过程中强度是保持恒定，还是按照特定振幅和频率的正弦波形变化）。相同的电极布局可采用不同的刺激方案，而同一刺激方案也可应用于不同的电极布局。
为了优化电极布局，我们需考察与功能相关的脑区，以及不同电极位置所诱导的电场如何影响这些脑区，进而影响认知功能。多个不同的皮层及皮层下结构在记忆功能中发挥重要作用，包括额叶、颞叶和顶叶皮层的区域。具体而言，工作记忆（WM）依赖于一个分布广泛的神经网络，该网络包括背外侧前额叶皮层（DLPFC）和腹外侧前额叶皮层（VLPFC）、前运动皮层和辅助运动皮层，以及后顶叶皮层（PPC）21。对于自传体记忆（AM）和一般的情景记忆，内侧颞叶内的结构至关重要22。然而，顶叶、额叶和颞叶皮层的联合区域，因其向海马体汇聚的神经通路，也发挥着重要作用。由于解剖位置的原因，海马体无法通过经颅直流电刺激（tDCS）直接刺激，因此对依赖海马体的记忆功能的增强，通常通过选择与海马体具有高功能连接的皮层靶区（如后顶叶皮层）来实现。基于上述原因，DLPFC和PPC是最常被用作增强记忆的刺激靶点。电极的定位还可基于电流流动建模进一步优化23，并在结合tDCS与神经影像技术的研究中加以验证24。
最常用的刺激方案是持续施加1-2 mA的阳极电流，持续时间为10-30分钟。该方案背后的假设机制是，带正电荷的电极将提高下方皮层组织的兴奋性，从而增强后续的记忆表现。与在整个刺激期间电流强度保持恒定的恒定阳极tDCS不同，在振荡tDCS方案中，电流强度围绕设定值以特定频率波动。因此，这种类型的方案不仅调节神经兴奋性，还能使相关脑区的神经振荡发生同步化。需要注意的是，无论是恒定tDCS还是振荡tDCS，在整个刺激过程中电极的电流极性均保持不变。
本文介绍了靶向额顶-海马网络内节点的经颅直流电刺激（tDCS）电极布局，以促进工作记忆（WM）和情景记忆（AM）：具体包括两种电极布局，靶电极分别置于左侧/右侧背外侧前额叶皮层（DLPFC）或左侧/右侧后顶叶皮层（PPC）。除恒定阳极tDCS方案外，我们还概述了一种基于θ节律振荡的tDCS方案。
研究设计 
在详细介绍如何使用经颅直流电刺激（tDCS）增强记忆之前，我们将概述实验设计中的若干关键特性，这些特性在规划关于记忆的tDCS研究时至关重要。
假刺激对照 
为了评估经颅直流电刺激（tDCS）对记忆的影响，研究需要设置假刺激对照。这意味着在其中一个实验条件下，操作流程与真实刺激过程相似，但并不施加实际治疗。这种虚假或假刺激过程作为参照点，用于比较真实 tDCS 刺激后的表现，从而推断其有效性。通常，在假刺激方案中，仅在刺激开始和结束时短暂施加电流——通常每个阶段持续不超过 60 秒，采用先逐渐升高再立即逐渐降低（即淡入/淡出，每阶段最长 30 秒）的方式。通过这种方式，确保刺激持续时间不足以产生任何行为或生理效应。由于局部皮肤/头皮感觉通常在刺激开始和结束时最为明显（由电流强度变化引起），因此所有刺激方案中产生的感觉相似，难以区分25。这样，受试者无法判断所接受的刺激是真实的还是假刺激，这一点在被试内设计中尤为重要。
除了假手术对照外，为了评估振荡干预方案效应的特异性，建议设置一个 主动对照条件同样，振荡协议的主动对照可以是相同强度的持续阳极刺激。26,27，或以不同频率（例如θ波）进行振荡刺激 与 γ28.
被试内或被试间设计。 
在被试内设计中，每位参与者均接受真实和假性 tDCS；而在被试间设计中，一组参与者接受真实 tDCS，另一组接受假性 tDCS。被试内设计的主要优势在于能更好地控制个体特异性混杂因素。也就是说，当每位参与者以其自身作为对照时，个体在解剖结构和认知能力上的差异可得到最佳控制。然而，由于被试内设计需采用交叉方式实施（即一半参与者在第一阶段接受真实 tDCS、第二阶段接受假性 tDCS，而另一半则顺序相反），这种设计可能并不适用于临床研究、训练研究，以及在连续多天内进行多次 tDCS 干预的研究，因为交叉设计可能导致不同交叉组之间的基线不均衡。因此，被试内设计最适合用于评估单次 tDCS 干预的行为或生理效应，且当研究假设认为基线不均衡并非问题时尤为适用。在采用被试内设计评估单次 tDCS 效应时，建议在真实与假性 tDCS 干预之间间隔 7 天，以避免残留效应（尽管有研究指出更短的洗脱期也不会显著影响结果29,30），并建议使用经过平衡顺序的平行版本记忆任务，以尽量减少训练效应和跨会话学习效应。
当采用被试间设计时，对照组应在基线表现以及其他已知与经颅直流电刺激（tDCS）效果相关的特征方面进行仔细匹配。在样本量较小的情况下（例如，&#60;100），随机分组可能并非最佳方法，因为它可能导致匹配不理想。无论何种情况，统计分析中均应考虑基线表现的影响。
样本量 
一个经常被问到的问题是 &#34;检测经颅直流电刺激（tDCS）效应需要多少参与者&#34;这个问题的答案取决于研究的多个方面，包括实验设计、预期效应量、统计分析类型等。脑刺激实验中的样本量通常过小，据估计，该领域的研究由于统计检验力不足，会遗漏约50%的真实阳性结果。31功效分析能够根据研究设计和计划进行的统计分析中预期的效应量，确定每个特定实验所需的适当样本量。功效分析可在R环境中进行，或使用免费的专业软件（如G*Power）完成。32，并且应始终执行 先验的 （即实验开始前）。功率应设置为 &#62;0.80（理想情况下为0.95），单次tDCS干预后在记忆任务中的预期效应量通常介于0.15–0.20之间（η2即，Cohen f 0.42-0.50。因此，为了达到足够的检验效能，从而降低II类错误的发生概率，通常需要在组内设计实验中总共招募20-30名参与者，而在组间设计研究中每组招募30-40名参与者。然而，样本量的确定还取决于其他多种因素，包括计划采用的统计分析方法以及所用行为测量指标的敏感性。理想情况下，研究者应先开展一项初步实验，以了解特定实验设计下的效应量大小，并将这些数据作为功效分析的输入参数。但需要注意的是，仅基于少数参与者开展的预实验会得到有偏差且不可靠的效应量估计值。因此，若资源有限，更稳妥的做法是参考既往具有相似结果指标的研究，采用相对保守的估计策略，即假设效应量略小于文献中报告的数值。
结局指标 
为了评估经颅直流电刺激（tDCS）对记忆的影响，需要选择适当的行為学任务。事实上，记忆任务的选择是研究设计中的关键环节之一，因为检测tDCS效应的能力直接取决于所用任务的敏感性。此处的挑战在于，大多数标准化的记忆评估工具或经典的神经心理学任务可能对特定人群中的tDCS效应不够敏感。此外，大多数标准化任务不具备两个或更多平行版本，因此无法用于被试内设计。正因如此，大多数tDCS记忆研究采用自行设计的任务。在设计或选择结局指标时，应确保该任务具备以下特征：（1）能够聚焦/选择性地测量目标记忆功能；（2）具有足够的敏感性（即量表的分辨度足够高，能够检测到微小的变化）；（3）对参与者具有挑战性（即任务难度适中，以避免天花板效应）；（4）具有良好的信度（即尽可能减少测量误差）。因此，应使用经过实证验证的严格平行版本的记忆任务，并包含足够数量的试验次数——既保证测量的敏感性，也最大化其可靠性。理想情况下，这些任务应在与实验参与者来源相同的人群样本中预先测试，以确保无法达到满分表现，且各任务版本具有相等的难度指数。最后，应尽可能使用计算机化任务，因其可实现对持续时间和时序的精确控制。这样研究人员可以确保所有参与者在刺激时间点（无论是刺激期间还是刺激后）的相同时间点接受记忆评估。每个任务或任务模块的持续时间不应超过10分钟，以避免疲劳和注意力波动；整体认知评估的总时长不应超过90分钟（包括tDCS期间和之后的所有任务）。

<table><tbody><tr><td>可调节硅胶帽</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>酒精</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>梳子</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>棉垫</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>卷尺</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>橡胶电极</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>生理盐水溶液</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>一次性迷你硅胶发圈</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>皮肤标记笔</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>海绵口袋</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>注射器</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>tDCS 设备</td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

经颅直流电刺激（tdcs）用于记忆增强

Transcranial Direct Current Stimulation (tDCS) for Memory Enhancement

记忆增强是认知神经科学和神经康复领域面临的重要挑战之一。在多种用于增强记忆的技术中，经颅直流电刺激（tDCS）正逐渐成为一种极具前景的非侵入性手段，可用于改善记忆功能。本文介绍了一种可用于健康受试者研究以及衰老和痴呆研究中的记忆增强tDCS实验方案。该方案采用微弱的恒定阳极电流，刺激参与记忆过程的皮质-海马功能网络中的皮质靶区。刺激电极可置于后顶叶皮层（PPC）或背外侧前额叶皮层（DLPFC），而回返电极则置于颅外（即对侧脸颊）。此外，我们还概述了一种更先进的振荡式tDCS方法，该方法通过模拟大脑自然节律，促进依赖海马的记忆功能，既可个性化应用，也可非个性化应用。我们展示了采用所述电极布局、电流强度介于1.5 mA至1.8 mA之间、单次tDCS刺激持续20分钟后的典型结果，显示了联想记忆和工作记忆的改善效果。最后，我们讨论了在设计针对记忆的tDCS研究时，该方案中的关键操作步骤及必须做出的方法学决策。

在本实验室的多项研究中，该方案已成功用于提升记忆能力。然而，其他研究实验室也采用了类似的方案（例如，参见36,37）。
在工作记忆方面，我们的研究结果表明，20分钟的右侧额叶经颅直流电刺激（F4位置；1.8 mA恒定电流）可增强言语工作记忆，而相同刺激方案作用于左侧顶叶皮层（P3位置）时，则能改善空间工作记忆表现。相比之下，当相同刺激方案应用于左侧额叶（F3）和右侧顶叶（P4）皮层时，未发现显著效应。图4展示了基于Živanović等人2021年报告数据38的tDCS产生的电场建模代表性结果，以及真实刺激与假刺激条件下的行为表现测量。
<img alt="经颅直流电刺激实验中的脑活动；工作记忆图表；认知任务示意图；神经科学研究。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62681/62681fig04.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图4"> 
图4：（A）左侧顶叶后部（P3-对侧脸颊电极放置方式）持续阳极经颅直流电刺激（tDCS）对空间工作记忆表现（空间3-back任务）的影响；（B）右侧背外侧前额叶皮层（DLPFC）（F4-对侧脸颊电极放置方式）持续阳极tDCS对言语工作记忆（WM）表现（言语3-back任务）的影响。该图展示了tDCS诱导的电场模拟结果、任务试验流程示意图，以及受试者在真实刺激与假刺激条件下的表现情况（数值已根据会话顺序进行中心化处理，以校正顺序效应；即正值表示该会话中表现高于平均水平，负值表示低于平均水平）。局部电场的模拟使用COMETS2 MATLAB工具箱进行计算41。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62681/62681fig04large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
顶叶经颅直流电刺激（tDCS）对联想记忆的影响具有一致性和稳健性。即，在一系列被试内实验中，我们已证明在左侧顶叶后部（P3位置）施加20分钟、1.5 mA恒定电流的tDCS可改善面孔-词语关联记忆27,39,40。图5展示了代表性任务及结果。此外，当对右侧顶叶后部（P4位置）采用相同的恒定tDCS方案进行刺激时，在评估物体-位置关联的联想记忆任务中也观察到了类似效应40。
<img alt="面部识别与回忆示意图，包含AM结果图；学习、识别、回忆过程。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62681/62681fig05.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图5"> 
图5：左侧顶叶皮层（P3-对侧脸颊电极放置方式）持续阳极经颅直流电刺激（tDCS）对联想记忆表现的影响（A）人脸-词对任务；（B）左侧顶叶皮层（P3-对侧脸颊电极放置方式）持续阳极经颅直流电刺激对联想记忆表现的影响（在线索提示下正确回忆词语的比例）。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62681/62681fig05large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的高清版本。</a>
尽管诸如θ振荡tDCS等更先进的方案研究尚不充分，但Lang及其同事26的研究以及我们实验室近期开展的一项研究27均表明，与假刺激相比，θ振荡tDCS方案可改善面孔词语情景记忆。动画展示了在左侧后顶叶皮层（left PPC）施加θ振荡tDCS所诱导的电场分布模拟结果。
视频 1. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62681/Video1.mp4" target="_blank">请点击此处下载该视频。</a>
附录。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62681/Appendix.zip" target="_blank">请点击此处下载这些文件。</a>

本文介绍了一种通过经颅直流电刺激（tDCS）作用于背外侧前额叶和后顶叶皮层以增强记忆的方案，这两个区域是海马-皮层网络中的核心皮层节点。该方案已在健康受试者研究中得到充分验证，亦可应用于衰老与痴呆相关研究。

经颅直流电刺激（tDCS）用于记忆增强

记忆增强是认知神经科学和神经康复领域面临的重要挑战之一。在用于记忆增强的多种技术中，……

本视频旨在演示用于增强记忆的经颅直流电刺激方案。该方案已在健康受试者研究中得到充分评估，同样适用于衰老与痴呆研究。记忆在日常生活中起着至关重要的作用，它使我们能够记住有关人物和地点的信息，回忆过去的事件，学习新的知识和技能，以及做出判断和决策。本文重点关注工作记忆和联想记忆。工作记忆是指暂时维持和存储信息以支持正在进行的认知加工（如解决问题或推理）的能力。而联想记忆则使我们能够记住多个相互关联的经验或信息。这两种记忆类型几乎支撑着我们日常的所有活动。然而，记忆能力是最容易受损的功能之一，会随着正常衰老以及多种病理状态和状况而下降。因此，人们越来越需要开发新的方法来预防和治疗记忆衰退。经颅直流电刺激（tDCS）是一种非侵入性脑刺激技术，利用微弱的电流调节脑活动。tDCS 的效应具有极性依赖性，即阳极刺激可增加神经元兴奋性，而阴极刺激则降低神经元兴奋性。因此，阳极tDCS有望促进依赖于靶向脑区的认知功能。tDCS具有安全性高、耐受性好、成本效益高且易于使用等优点。使用tDCS的主要挑战在于确定能够产生可靠效应的最佳电极布局和刺激方案。为了调节记忆，我们需要影响皮层-海马网络内的活动。因此，阳极通常放置在背外侧前额叶皮层或后顶叶皮层，这两个区域是该网络中最显著的皮层节点。最常见的刺激方案是使用1至2毫安之间的恒定模拟电流，持续10至30分钟。该实验方案背后的假设机制是，带正电荷的电极将提高其下方皮层组织的兴奋性，从而增强后续的记忆表现。与恒定阳极经颅直流电刺激（anodal tDCS）不同，在恒定刺激期间电流强度保持不变，而振荡性经颅直流电刺激（oscillatory tDCS）方案的电流强度会在设定值周围以特定频率波动。因此，这种类型的刺激方案不仅调节皮层兴奋性，还能使相关脑区的神经振荡产生同步化。在规划经颅直流电刺激（tDCS）对记忆影响的研究时，研究人员需要仔细考虑在组内或组间设计中如何实施假刺激对照，并确定足够的样本量以达到理想的统计检验力。此外，开发或选择适当的结局指标也至关重要，即所采用的记忆任务应具有针对性、敏感性、可靠性和一定的挑战性。每次tDCS实验会话前，应准备好以下材料。此外，建议准备一份协议表，该表为填写式表格，包含有关实验环节的基本信息，以及一个预先计算好头部测量数据的表格，以协助电极放置。在tDCS实验开始前，需确认受试者是否符合研究伦理审批中规定的纳入标准。要求受试者签署知情同意书。利用此机会向参与者解释他们将接受的操作流程的基本要点，并回答他们可能提出的任何问题。让参与者舒适地坐在椅子上，并要求其填写经颅直流电刺激前的感觉检查清单。在本次实验中，我们将刺激右侧后顶叶皮层。首先测量鼻根点与枕外隆突之间沿头部顶部的距离，用皮肤标记笔画一条细线标记其中点位置。然后测量两侧耳郭之间沿头部顶部的距离，并用一条细线标记其中点位置。通过两条中线的交点可找到头顶（Cz）位置。再次测量鼻根至枕外隆突的距离，并将其记为测量值A。将两耳之间的距离记为测量值B。将各项测量值记录在每位参与者的实验记录表中。这些数值可用于后续实验环节测量时的核对参考。从Cz点向后移动距离A的20%，到达Pz点并标记该位置。从Cz点向右移动距离B的20%至C4点，并标记该位置。从C4点开始，与鼻根-枕外隆突连线平行向后移动。然后从Pz点向右移动，到达P4区域。P4位于Pz点右侧20%处，且位于C4点后方20%处。为提高导电性，需将受试者刺激部位的头发移开。对于长发受试者，可使用梳子和发带固定头发。检查刺激部位是否存在任何皮肤损伤的迹象。避免将电极放置在受损皮肤上。使用浸有酒精的棉片清洁皮肤表面，并使其干燥。清洁放置回路电极的面颊部位。将硅胶帽戴在受试者头部，并用下巴带固定。使用硅胶带调整帽子以适应受试者的头型和大小，但不要系得过紧，此步骤稍后会再次调整。用生理盐水浸湿海绵袋。海绵应保持湿润但不滴水。通常每块海绵使用10至15毫升生理盐水即可。将电极放入海绵袋内。将回路电极置于对侧脸颊，并调整帽具。放置阳极时，将海绵电极置于硅胶带下方，并确保电极中心位于标记的头部位置。帽具应佩戴紧密，确保电极不会移动，同时让受试者感到舒适。开始刺激前，打开设备，选择并运行预设的经颅直流电刺激（tDCS）方案。为避免可能干扰刺激效果的无结构活动，建议在tDCS期间进行轻度的认知任务。例如，受试者可在刺激过程中进行认知任务的练习试验或参与简单的记忆游戏。在刺激过程中，应多次询问受试者自身感受。刺激方案结束后，关闭刺激器，先取下海绵电极，再取下硅胶帽。要求参与者填写tDCS后感觉检查清单，并报告任何未列出的不良反应。清洁标记部位的皮肤，并检查皮肤是否有任何变化。为了在参与者之间标准化记忆评估，建议使用计算机化任务。若进行被试内实验，应使用严格平行的任务形式。为评估设盲效果，需询问参与者尝试猜测其接受真实刺激和假刺激的实验环节。根据伦理准则，在参与者完成实验后，应向其详细说明实验情况。用流动的水和肥皂清洗海绵，确保完全去除生理盐水。使用温水和酒精清洁所有可重复使用的材料，包括梳子、硅胶帽和卷尺。在工作记忆方面，我们的研究结果表明，20 分钟的右侧额叶经颅直流电刺激（tDCS）可增强言语记忆，而将相同的刺激方案施加于左侧前额叶皮层则能改善空间任务表现。顶叶tDCS对联想记忆的影响具有一致性和稳健性。具体而言，在一系列被试内实验中发现，对左侧顶叶皮层施加20分钟的tDCS可改善面孔与词语关联的记忆。综上所述，可以认为，采用所述阳极tDCS方案（无论是标准形式，还是更先进的振荡调制tDCS形式）能够可靠地增强记忆功能。它可用于研究记忆功能背后神经网络的功能神经生物学，也可应用于临床研究。

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来源：Pope, P. A. 利用小脑经颅直流电刺激调节认知功能。J. Vis. Exp.

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来源：Shaw, M. T. 等．远程监督经颅直流电刺激：安全性与耐受性的最新进展．J. Vis. Exp.

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