Trends in Neurosciences：基于信息的无创经颅脑刺激方法

认知神经科学的进展依赖于方法学的发展，以增加有关脑功能知识的特异性。例如，在功能神经成像领域，当前的趋势是研究大脑区域所携带的信息类型，而不是简单地比较任务操作所引起的激活水平。在这种情况下，非侵入性经颅脑刺激(noninvasive transcranial brain stimulation, NTBS)在认知功能研究中的传统应用可能显得粗糙和过时。然而，在其众多参数中，通过与行为操作相结合，NTBS方案可以达到成像技术的特异性。在本文中，我们回顾了在基础科学和临床环境中实现这一目标的不同范例，并遵循基于信息的方法的一般原理。本文发表在Trends in Neurosciences杂志。

1.从“黑箱”方法到有理有据的NTBS

在任何科学领域，持续的进步都需要改进实验方法。这可以从硬件(如在fMRI研究中向更高场强发展)或分析技术(如机器学习对fMRI数据的应用)两个方面发展。在无创脑刺激的研究中，已经有了各种方法的发展，如新的线圈设计和与神经成像技术的结合。然而，除了这些进展之外，这些研究中提高精确度的一个重要来源是对刺激本身如何与潜在的大脑活动相互作用的精确概念化。这使得研究人员可以使用NTBS来定位特定的神经元表征、振荡频率和神经元通路。

这些发展背后的一个关键概念转变来自于不再将参与者视为大脑被抑制或兴奋的“被动”主体，不再将大脑区域视为需要被中断或增强的黑盒子。相比之下，新方法的特点是使用目标网络在功能、生理和解剖方面的详细先验知识。另一个关键问题是认识到NTBS的空间分辨率在生理上永远不足以刺激神经元亚群。这是不幸的，因为皮质区域包含了一系列具有不同调谐和功能特性的神经元，而神经科学的一个关键目标就是理解这种多样性。因此，尽管“传统”方法在将皮层区域映射到认知功能方面很有用，但它的功能分辨率有限，无法研究这些功能是如何实现的。一些研究表明，NTBS效应是刺激参数(如强度、频率)和刺激时大脑活动模式之间的相互作用造成的，考虑到这些研究结果，可以克服这一限制。这表明NTBS的结果可能是由潜在的大脑活动(即使保持NTBS参数不变)和微调的NTBS参数[如强度(方框1)或频率]量身定制的。这使得该领域超越了NTBS不加区别地靶向受刺激皮层区域的所有神经元的想法。相反，现在的重点是开发针对特定神经元亚群/网络的方案。这是至关重要的，因为它使我们能够检查认知功能背后的神经元机制。

方框1刺激强度在TMS研究中的作用

在NTBS研究中，尤其是在TMS研究中，刺激强度是另一个重要变量。在知觉和认知研究中，TMS的“虚拟损伤(virtual-lesion)”效应通常被解释为噪音感应。具体来说，一种广泛的观点认为，TMS会不加区别地激活目标区域的神经元，并以这种方式在神经处理过程中增加噪声。这种噪声降低了与所研究的认知任务相关的信号的信噪比，从而影响性能。在这个观点中，TMS的强度等同于神经处理中加入的噪声量。近年来的一个关键认识是，TMS对不同类型神经元的影响可能既不是简单的相加效应，也不是同质效应。相反，它对神经元的影响似乎取决于它们持续的活动水平。已经对视觉刺激产生反应的神经元不太可能受到TMS额外激活的影响，因此行为效应可能是由与任务无关的神经元的不均衡激活造成的；即那些没有被当前刺激或任务要求激活的神经元。这被认为是TMS降低感知和认知任务信噪比的一种机制：通过选择性地增强非活动神经元(即不参与认知任务的神经元)的活动。这为选择性地靶向活性神经元和非活性神经元提供了可能性。事实上，这种选择性的靶点定位可能是使用者一直在做的事情，而他们自己却不知道。

噪音一个有趣的方面是，它并不总是对行为有害；这取决于噪声的大小和初始信号强度。在具有测量阈值的系统中，噪声的加入可以将微弱的亚阈值信号推过阈值，从而改善信息传输。这被称为随机共振。关键问题是噪音的水平：当噪音水平太高时，信号会被削弱得太多。然而，适度的噪声对任务执行是有好处的。有证据表明TMS中存在这种随机共振效应；在一个案例中，当初始任务表现较低时，低强度TMS促进了表现。这与低(而非高)噪音水平有助于检测微弱刺激的想法是一致的。

通过操纵潜在的大脑活动来改变NTBS效应的一种有影响力的方法是改变受刺激皮层内神经元亚群之间的活动平衡(以增强刺激的特异性)。例如，执行并行或先前任务可用于诱导靶区神经元亚群对同一NTBS干预的不同敏感性。在调整NTBS参数以增强特异性方面，已经引入了频率调谐经颅交流刺激(transcranial alternating-current stimulation, tACS)和节律性经颅磁刺激(rhythmic transcranial magnetic stimulation, TMS)，每种方法都认为可以促进在刺激频率上共振的振荡神经元网络的活动，但对其他频率下的网络不起作用。最后，多线圈可以用于靶向特定通路的可塑性。使用这些方法进行干预，行为NTBS研究可以达到新的特异性水平(图1)。在本文中，我们回顾了认知研究和临床领域的这些进展。

图1提高无创经颅脑刺激(Noninvasive Transcranial Brain Stimulation, NTBS)效果的新行为方法。(A)在传统的“虚拟损伤”方法中，刺激应用于皮质的一个区域，无论调谐和振荡频率如何，所有的神经元表征都会受到类似的影响。影响也波及到相互关联的区域。

(B) (1)在状态依赖的NTBS方法中，预处理或并行任务操作使特定的神经元表征对刺激具有不同的敏感性，从而使预期的神经效应对该表征具有特异性。(2)在节律性NTBS方法中，刺激是针对特定振荡频率(在示意图示例中，频率a或b)定制的，以促进相应的振荡网络(红色或绿色)。(3)在多线圈干预方法中，使用两个(或更多)线圈可以选择性刺激两个(或更多)大脑区域之间的连接。

2.通过操纵潜在大脑活动增强NTBS特异性

2.1在NTBS之前使用感知和认知操作

提高NTBS特异性的一种方法是要求受试者在刺激前完成特定任务。这被认为是控制被刺激网络的状态。这与“传统”方法形成对比，在“传统”方法中，参与者被认为在NTBS干预期间是“被动的”。不出所料，正在进行的大脑活动已被证明与脑刺激的影响相互作用，而不控制这种相互作用可能解释了传统NTBS方案所诱发的后效应的巨大差异。在应用TMS调节后效应方向之前，在调节大脑状态方面的应用最初表现为增强或抑制重复TMS (repetitive TMS, rTMS)前运动皮层的活动。然而，通过这项技术提高特异性的关键是使一个区域内的神经元亚群敏感，这可以通过行为适应和启动协议（priming protocols）来实现，选择性地预处理（precondition）特定神经元群(下文称为TMS-adaptation [适应]方法)。

TMS-adaptation已被用于研究不同感知觉和认知领域的神经特性，如数字加工、字母选择和语言加工、运动知觉和类别选择性。这种方法有用的一个很好的例子是一系列研究，这些研究旨在探索与动作观察相关的运动网络中的神经调谐特性。这项研究使用了适应性和TMS的结合来证明动作是以抽象的方式编码的，通过让参与者适应动作和效应器的结合，并检查随后的TMS应用是否有选择地增强了独立于效应器的适应动作。最近，该方法被用于研究运动目标的感知和分类过程中运动观察网络的特性。具体来说，该研究检查了该网络中高层次(最终目标)和低层次(手柄[grip]类型)的运动组成部分。参与者适应一个电影，在电影中，演员用一种工具(使用强力或精确手柄)进行目标导向的动作。在适应后，参与者被要求匹配电影中测试图像显示的动作最终目标(目标识别任务)或手柄(手柄识别任务)。下额叶皮层(inferior frontal cortex, IFC)和初级感觉皮层(primary sensory cortex, S1)的TMS对适应和非适应目标进行了不同的调节，表明这些区域包含了动作目标的表征。这些研究很好地证明了适应性precondition是如何使TMS分离神经调节特性的——这是传统“虚拟化”方法无法实现的结果。

这种precondition方法目前也正在临床领域进行测试。例如，在抑郁症中，NTBS有很长的历史，但刺激的结果是高度可变的。最近的一项研究利用了rTMS的结果：即在具有较高的前扣带皮层(rostral anterior cingulate cortex, rACC)活动的受试者中，rTMS具有积极的抗抑郁作用，这与增强的额叶theta功率(frontal theta power, frontal θ)相关。然后，研究人员在rTMS治疗前使用认知任务来操纵额叶θ，检查这种precondition是否能增强TMS诱导抗抑郁反应的能力(图2)。与接受假TMS、真认知任务或真TMS、假认知任务的患者组相比，在真TMS前接受真认知任务的患者组的抑郁得分显著降低。这表明与抑郁症相关的脑区的precondition对提高TMS治疗效果有重要影响。

图2 通过行为预处理(Transcranial Magnetic Stimulation, TMS适应性)提高TMS特异性。

(A)最近的一项研究使用计算机化认知任务(computerized cognitive task, RECT)，在使用TMS前，让前扣带皮层参与前适应过程。

(B)三组患者17项汉密尔顿抑郁量表(17-item Hamilton Rating Scale for Depression, HDRS-17)抑郁总分的变化，提示rTMS (A组)具有较好的临床疗效。

2.2使用并行任务操作（Concurrent Task Manipulations）

已经有很多成功的尝试，让参与者在进行NTBS的同时参与行为任务，以使其后效应更具体。也许这种方法最早的应用是将改进的theta脉冲式TMS (theta-burst TMS)范式与视觉信息的呈现结合起来。在这项研究中，参与者被要求在接受TMS刺激时观察视觉刺激向特定方向的移动。结果表明，TMS对后续运动方向识别的影响取决于TMS应用过程中观察到的运动方向。最近，并行任务对NTBS效应的调节已成功扩展到经颅电刺激(transcranial electrical stimulation, tES)的研究。

一项研究调查了运动想象的参与是否调节了不同频率(theta、alpha、beta、gamma) tACS作用于初级运动皮层所引起的后效应。通过测量TMS诱发的运动诱发电位(motor-evoked potentials, MEPs)，根据运动皮层兴奋性的改变来测量后效应。在同时进行运动想象的情况下，tACS诱导的皮质脊髓兴奋性增加在theta-tACS中达到最大。这被解释为tACS增强了运动皮层的兴奋性增加量，这是运动想象的结果。相比之下，在受试者休息时，beta-tACS诱导的MEPs增加量最大。这种分离证明了并行方法的能力，一方面影响NTBS结果，另一方面可以挖掘大脑区域内不同振荡频率的功能作用。

并行任务需求是如何与经颅直流电刺激(transcranial direct-current stimulation, tDCS)的后效应相互作用的也被调查了。这是通过将阳极tDCS (anodal tDCS, a-tDCS)与不同类型的运动任务相结合，选择性地诱导皮质兴奋性的增加或减少来实现的。通过使用TMS诱发MEPs，以及测量a-tDCS方案前后训练任务的表现，研究了同时刺激的后效应。结果表明，当与增加皮质兴奋性的运动任务相结合时，a- tDCS降低了学习能力。相比之下，a-tDCS促进了对降低皮质兴奋性的运动任务的学习。这些影响也反映在MEPs上。因此，tDCS同时改变皮层兴奋性会导致tDCS诱导的后效应方向发生质的变化，这突出了并行任务需求调节NTBS效应的潜力。考虑到最近对tDCS效应强度和一致性的批评，这样工作是重要的。

并行任务方法为临床应用提供了很大的希望，在脑卒中后的视力康复领域已经做了令人兴奋的工作。例如，一种促进偏盲患者恢复的新方法是使用NTBS来提高受损大脑中视觉皮层神经元的次优活动水平。在一项研究中，这是通过在患者参与训练方案的同时应用tDCS来实现的；具体来说，研究人员对参与视觉康复治疗(Visual Rehabilitation Therapy, VRT)的参与者进行了研究，这些参与者分成真、假tDCS组。这项研究包括每周三次1小时的训练，持续3个月。结果测量包括视野的客观和主观变化、视觉注视表现、视觉相关活动的日常生活(activities of daily living, ADLs)和生活质量(quality of life, QOL)。训练结束时，VRT和真tDCS联合治疗组的视野扩张明显大于VRT和假刺激联合治疗组。此外，眼动监测使作者能够从代偿性眼动的角度排除对这些影响的解释。虽然需要对更大的患者群体进行研究才能最终证明这种治疗的益处，但这项研究表明，同时进行枕部tDCS与视野康复训练，在恢复某些视觉功能方面有很大的希望。

3.通过生理信息微调(fine-tuning) NTBS参数提高刺激特异性

3.1节律性NTBS干预(以及刺激频率的作用)

另一种微调NTBS特异性的方法是调整刺激频率，以针对潜在的脑振荡活动。这可以通过节律性刺激技术实现，包括节律性TMS、tACS或振荡tDCS (oscillatory tDCS, o-tDCS)。该方法背后的总体思想是通过夹带或相位抵消。其首要目标是通过与脑振荡的相互作用来驱动网络活动(和相关功能)，这一想法基于以下证据：脑振荡反映了不同网络元素同步进入功能集合。因此，增强的特异性被认为是通过在刺激频率上的耦合活动影响那些连接到靶点的网络。

电生理和行为学支持通过频率调谐的NTBS来牵引神经活动，并支持增强的特异性。在电生理学方面，一些研究表明目标频率的振荡活动上调。具体来说，频率调谐的节律性TMS可能通过去极化作用对正在进行的振荡活动进行相位重置，从而引入振荡活动，而tACS/o-TDCS将通过其在膜电位水平上的调节来影响脑振荡。重要的是，一些研究表明，与刺激频率被抵消相比，当刺激频率与自然节律相匹配时，目标频率下的脑振荡上调更有效，这与夹带(entrainment)模型相一致。

除了电生理学证据外，还有很好的行为证据(虽然是间接的)支持夹带。许多NTBS研究表明，与已知的振荡活动和任务表现之间的相关关系(从EEG/MEG推断)一致，频率对行为表现测量有特定影响。例如，当使用节律性TMS和tACS时，将NTBS调谐到通过EEG/MEG识别的与知觉相关的脑区和频率，可诱发知觉的变化。当刺激与各自的节律和区域相协调时，认知和运动表现也有类似的结果。

上述报道的频率特异性效应支持了一种主张，即相对于传统方法，频率调谐的NTBS可能增强干预的特异性。例如，众所周知，传统的TMS刺激顶内沟(intraparietal sulcus, IPs)会影响注意力和知觉：经证实，TMS刺激IPs会损害对侧视野的目标检测，并增强同侧视野的目标检测。这种对知觉的推拉效应与TMS对注意节点干扰的解释是一致的。使用节律性TMS，最近的报告复制了这种推拉效应，但还表明知觉结果取决于刺激频率。靶点检测的对侧抑制和同侧增强仅限于以alpha频率刺激IPs，这是一种已知与注意功能相关的后部脑节律。因此，在这种情况下，频率调谐增强了特异性。此外，最近的证据表明，当稍微偏移时，tACS可以使单个的alpha振荡器在输入频率上循环，这反过来会影响与alpha振荡速度相关的知觉加工(图3)。

图3通过节律性无创经颅脑刺激(Noninvasive Transcranial Brain Stimulation, NTBS)与功能网络节律相互作用。

(A)相关性。在闪光-哔哔错觉(flash-beep illusion)中，当一个闪光与两个时间延迟[错觉时间窗temporal window of illusion, TWI]不超过100毫秒(一个完整的alpha周期)的声音配对时，通常可以感知到第二个幻觉闪光(左图)。TWI显示了个体间的个体alpha频率(individual alpha frequency, IAF) (8-14 Hz之间)变异性。最近的一项研究显示了这两种度量之间的反向关系，例如更快的IAF说明更短的TWIs，反之亦然(右图)。

(B)因果关系。如果IAF决定了TWI，则减慢或加速IAF应该分别扩大或缩小TWI。因此，IAF-2Hz经颅交流刺激(transcranial alternating-current stimulation, tACS)(红色条形和曲线)使TWI增大，而IAF + 2Hz tACS(绿色条形和曲线)使TWI减小。最能解释这些结果的假定机制是通过tACS夹带(下图)减慢和加速alpha。

有趣的是，据报道，频率调谐的效果依赖于刺激时的活动模式，这表明在试图通过微调NTBS参数来增强特异性时，也需要考虑内部状态。例如，一项TMS-EEG研究表明，顶叶TMS脉冲序列在alpha频率下对EEG alpha振荡的夹带强度取决于TMS序列捕捉持续振荡的相位角。其他研究表明，在枕部alpha频率tACS刺激方案下，alpha功率增强/夹带取决于tACS前alpha功率或睁眼与闭眼条件。类似地，频率调谐的tACS对行为的影响已经被证明取决于并行任务执行(任务可能在刺激时驱动特定的活动模式)。

最后，频率调谐干预可能在临床上激发研究兴趣。一个典型的例子是帕金森病(Parkinson's disease, PD)患者在tACS期间运动皮层的震颤频率降低。一项研究表明，当这种运动皮层tACS应用于持续震颤的特定延迟阶段时，震颤可以显著减少。这个想法是，tACS通过异相刺激的相位抵消来抑制震颤。节率性NTBS能够潜在地增强(通过夹杂)或抑制(通过相位抵消)振荡，这对存在波形异常的疾病干预来说是一个有吸引力的特征。

3.2使用多线圈方法诱导通路特异性Hebbian可塑性

进一步细化NTBS效应的研究涉及到同时使用两个或多个刺激线圈。在双线圈TMS范式中，可以在网络的一个节点和另一远端节点先后进行条件刺激，测试网络连接的参与(engagement)。例如，这种方法已被用于测试特定人群(或功能)的半球间或区域间通信模型。双线圈TMS也被用于研究给定脑区的认知操作是否需要双侧参与，三线圈范式已被开发用于评估三个大脑区域之间的相互作用。多线圈TMS还可以用于结合离线和在线TMS范式，评估因其中一个节点中断而导致的网络其余部分的功能变化。多线圈TMS的优势在于它能够精确地将刺激微调到大脑连接的时间（chronometry）；也就是说，实现最能模拟网络交互的刺激参数。当网络节点的位置与节点之间信息处理的方向性和时间适当匹配时，NTBS可以在预期方向上影响正在进行的网络活动，并告知网络的功能属性。

近年来，双线圈脑网络研究进入了一个全新的研究层次，旨在通过一种新的皮质-皮质配对联合刺激(cortico-cortical paired associative stimulation, ccPAS)范式来实现功能网络的可塑性适应。这种新方法摆脱了神经网络仅仅反映预先建立的结构的概念。相反，它是基于这样一种观点：神经网络是可以适应变化的；例如，通过平衡外部输入的统计规律和不断变化的特征。有充分的证据表明，通过感觉输入对神经元回路的重复激活可以引起神经网络反应的长期变化，这种现象被称为长时程增强(long-term potentiation, LTP)。根据Hebbian规则，当突触前节点反复促进突触后节点产生动作电位时，突触连接会增强，这种现象被称为尖峰计时依赖性可塑性(spike-timing-dependent plasticity, STDP)，这形成了大脑中学习相关可塑性适应的细胞基础。在基于信息的NTBS方法背景下，Hebbian相关的可塑性可以通过ccPAS对突触前和突触后亚群的重复顺序联合刺激来实例化(图4B)，并可以在生理和行为水平上评估在目标网络中诱导的可塑性变化。

图4 通过皮质-皮质配对联合刺激(Cortico-cortical Paired Associative Stimulation, ccPAS)影响功能连接。

(A)任务和刺激。(B) ccPAS方案。(C)实验过程。(D)结果。

使用ccPAS的研究几乎完全集中在运动系统的功能可塑性研究上。这些研究总体上表明，ccPAS可以诱导LTP-[和长时程抑制(long-term depression, LTD)]样效应，这具有时间、方向和状态依赖性。此外，最近ccPAS与EEG和神经成像技术的联合使用，显示了突触前靶区对突触后靶区的因果性和方向性影响(根据Hebbian可塑性的时间分布)，为诱导STDP机制提供了进一步的证据。此外，这些研究表明了ccPAS对整个网络振荡相干性的影响和对NTBS操作的空间特性的影响，证实了受刺激节点之间连接性增强的特异性。它们在网络的其他相关区域也显示出类似的弱化效应。

除了运动系统，ccPAS最近还被用于研究V5-V1背侧投射的延展性及其在连贯视觉运动刺激感知中的作用。通过操纵四组不同的设计参数，反复激活V5-V1神经通路(图4B)。在实验组中，ccPAS特异性靶向增强V5-V1连接，增强连贯视觉运动的感知至少60分钟。这种行为时间过程与之前使用ccPAS对人类运动系统进行研究时观察到的Hebbian样生理效应相似。这一效应对实验组是有选择性的，因为对照组的运动知觉没有发生显著变化。因此，只有当外部操纵与受激网络的时空动态性密切相似时，才会发生可塑性变化。如果只满足其中一个约束条件，即使注入的TMS能量总量相同，Hebbian联合可塑性也不会发生，从而对行为没有净影响。这些结果首次强调了ccPAS对V5-V1背部投射的知觉参与的行为影响，这种联系被认为对运动知觉有帮助，并且现在被证明是功能可塑的。

上述报告的状态依赖性和时间、方向特异性效应表明，ccPAS NTBS可以增强治疗干预的特异性。这种新的范式可能会在未来的研究中提供无数的应用，并可能对我们在康复中构思NTBS方法的方式产生根本的、重要的影响。大脑网络的功能延展性模型可以在健康人群中进行测试，然后应用于临床以恢复功能损失。重要的是，对时空网络动态及其状态依赖性的充分理解，将是探索最佳干预的基础。这可以通过直接测试最优参数来完成，这些参数最好地解释了所研究网络的功能连通性和延展性(例如，ccPAS NTBS的生理和行为影响)。最后，令人兴奋的是，这种范式可能提供独特的信息——例如，关于大脑连接的功能不对称——这是任何其他神经成像技术或方案都无法单独测试的。

4.结束语

上述研究是非侵入性人脑刺激新时代的一部分，遵循认知神经科学其他工具中出现的基于信息的方法的一般准则。在NTBS中，这个时代是由方案定义的，这些方案使用了目标网络的功能、生理和解剖特性的详细先验知识。更具体地说，其目的是逐渐摆脱仅仅增强或削弱感知和认知功能的概念，转而利用对神经调节、潜在振荡网络和大脑区域之间连接的理解。可以认为，这些操作已经使NTBS从一种粗糙的工具(不加区别地破坏大面积的皮层)，变成了一种针对神经元亚群的微妙技术。虽然增加NTBS研究可用信息量的一种方法是将其与神经成像相结合，但本文回顾的范式的独特性其目的是使刺激效应更具体(图1)——这是NTBS与神经成像相结合本身无法实现的。然而，这些新方法的结合，以及行为测量(方框2)和神经影像学的发展，可能被用来进一步扩展这种特异性。

方框2 在脑刺激研究中加强行为测量

通常，行为TMS研究使用准确性和反应时间。虽然一些研究发现了对准确性的影响，但另一些研究发现了对反应时间的影响。这可能取决于任务需求；例如，是否鼓励参与者做出快速或准确的反应。这里的一个重要问题是受试者在做出反应之前必须积累的证据数量。参与者通常在触发反应所需证据的标准水平上有所不同。自然，自由的标准会导致快速反应，但也会增加错误率；相反，保守的标准会导致更高的准确率，但往往与较慢的响应时间(response times, RTs)相关。人们曾试图考虑到两者之间的权衡。一种方法是所谓的反效率测量，即RTs除以准确度。另一种卓有成效的方法是使用扩散模型[其方法与信号检测理论(signal detection theory, SDT)相似]。考虑到准确性、平均RT和RT方差，该模型得到三个不同的参数：

(i)漂移率，它结合反应速度和反应准确性来量化受试者的灵敏度(可以看作是信噪比的指标)；

(ii)边界分离，表示响应保守性(SDT模型中等效的准则)；

(iii)平均非决策时间。非决策时间是指决策前的信息加工时间和执行运动命令所花费的时间。

这些参数使我们能够确定行为结果模式的来源，从而为TMS效应的来源提供更精确的见解。

总结：

本文阐明的趋势是：非侵入性经颅脑刺激(noninvasive transcranial brain stimulation, NTBS)在感知和认知研究中的传统应用包括增强或干扰行为，旨在将皮层区域映射到行为功能。新的NTBS范式旨在理解与知觉和认知过程相关的信息是如何通过神经网络表示的，这反映了功能神经成像中基于信息的方法的一般准则。这是通过操纵刺激参数和针对特定神经网络或群体的优先/并行任务需求来实现的。

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