tDCS等神经调控技术改善睡眠、提升学习能力的研究

【背景知识】

自2010年以后,通过以tDCS为代表的无创脑刺激技术(non-invasive brain stimulation,NBS)对于学习能力提升的研究,逐渐成为该领域的热点课题,研究方向主要集中在提高注意力、提高计算速度和准确率等方面。

除了tDCS技术外,还有经颅交流微电流(transcranial Alternating Current Stimulation,tACS)、经颅微电流刺激(Cranial electrotherapy stimulation,CES)等技术。他们的原理,都是通过向大脑传递微弱电流,从而进行神经调节,选择性的影响运动、视觉、听觉、感知功能以及记忆、学习等高级认知功能。

经颅交流微电流(tACS)设备

随着技术的发展,目前已经可以做到将tDCS、tACS、CES的功能整合到一部仪器上,从而发挥各项技术的优势。

【改善失眠焦虑】

由于学习压力大,很多青少年经常失眠、并因此导致出现焦虑情绪,影响学习的同时,更影响身体健康;同时,很多成年人也因为工作、生活压力,长期失眠,影响工作和学习。

临床试验发现,对于失眠,采用tDCS+CES联合干预的方式,效果显著。它通过将电极置于耳垂,电流大小约1~ 500μA,频率一般为0.5~100Hz,通过将特定波形传导至大脑,从而调节大脑神经递质和应激激素的分泌,改善异常脑电波。在第四届全国中医睡眠医学学术研讨会上,原第四军医大学(现空军军医大学)的专家就指出,这种联合干预的方式有四大优势,包括:

1、促使身体分泌能够调节个体情绪与认知的神经介质;

2、影响和改善异常脑电波,使其回到正常的状态,提高α波的功率;

3、降低应激素分泌;

4、迅速改善生理信号,调节情绪状态。

他们的临床试验也验证了这些观点。通过对50位患有失眠症的患者,采用每天60分钟,连续10-12天的干预。治疗前,入睡困难患者的入睡前所需时间大于30分钟, 平均睡眠时间 3-5小时;治疗后,入睡所需时间缩短到小于30分钟,平均睡眠时间大于6.5小时,睡眠质量明显得到改善。

国外的一项双盲对比试验也发现,采用0.05Hz,100μA的方案(对照组采取电流淡入淡出),受试者每天接受60分钟治疗,持续时间为4周,试验组患者入睡时间缩短、睡眠总时长增加,且效果持久。

【提高学习能力】

学习是一种高级认知功能,涉及多项能力、需要多个脑区协调运作。目前这方面的研究,主要集中在提高课堂注意力、提高计算准确率和计算速度方面。

与tDCS采用0.5-2mA的直流电不同,tACS采用的是正弦波交流电(一般是0~500μA)其频率可调(通常在64赫兹以内)影响大脑皮层振荡活动,提升视觉、听觉、感知觉的灵敏度。

研究发现tACS通过调节个体的脑波频率,可以提升记忆能力,提高听课效率。根据发表在《Behavioural Brain Research》上的一份对比研究,发现采用10Hz 和20Hz的干预方案,都提高了学生完成计算的速度,并且在20Hz的干预下,同时还提高了学生的记忆力。这表明通过调节学生α和β波频率,学习有促进作用。

近年来,国内外多家科研机构进行的多项试验,发现不同的干预方案,能取得不同的效果。如采用10Hz的干预方案,学生的创造力指数提升了7.4%;采用4Hz的干预方案,可以诱发听觉皮层的振荡活动,提高听觉;采用40Hz的干预方案,可以提高人的面孔识别能力,为改善情绪调节提供了依据。

下面是国内的一项试验。

选取15名健康的学生(8男7女),分别进行alpha(α)、beta(β)、theta(θ)、sham干预,并以四则运算来检查干预效果,结果如下图所示。

上述结果表明,alpha频率可以提高学生的反应能力,进而降低完成计算题所用时间;在更复杂的心理旋转实验中,该结果也得到了进一步的验证。

关于tDCS和tACS的干预效果,也有相关研究。在采用标准心理旋转实验下,参与试验的学生,反应时缩短、准确率提升、推理能力增强。不过tDCS在反应时、同步指数、相关系数、有效连接等方面,略强于tACS组(如下图所示)

【研究结论】

综上所示,以tDCS为代表的神经调控技术,可以有效改善失眠焦虑、提升注意力、缩短计算用时并提升准确率,同时tDCS技术与CES、tACS相结合,可以取得1+1>2的效果。

【参考文献】

刘晔. 基于心理旋转认知加工过程的经颅交流电刺激效应研究[D]. 河北工业大学.

石静. tACS与tDCS对心理旋转认知任务影响的研究[D]. 河北工业大学, 2017.

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