10Hz tACS对词语语音决策中前额叶皮层的影响

德国基尔大学医学心理学和医学社会学研究所在Brain Stimulation发文，探讨了前额叶皮层的神经活动是否可以被10 Hz的tACS所调控。

方法：在实验任务执行前对24名健康被试施加10Hz的tACS或者16.18Hz（对照频率）的tACS或者假刺激。并记录施加tACS前和后的静息态EEG，以及实验任务中的EEG。

结果：10 Hz的tACS显著地促进了语音反应的速度，这一效应具有任务特异性。10 Hz的tACS显著增加了语音决策中的大脑θ功率，且θ功率的增加与行为的促进呈正相关。

结论：10 Hz的tACS使刺激区内与任务相关的激活增加到了最优的语音表现水平。语言加工过程中的行为促进与θ功率的增强有关。

方法

被试：

24健康成人（年龄18-30岁，M=22.0，SD=3.36，female12人），右利手，母语为德语。g*Power效应量f=0.25，αlevel=0.05，power = 0.9，correlationamong repeated measures = 0.7，最小样本量为22。

材料与程序：

实验分三次完成，一次给被试施加10 Hz的tACS，一次施加16.18Hz（作为对照）的tACS，另一次施加伪刺激。为降低tACS和学习效应的影响，每次实验之间间隔两周，且三次实验顺序随机，如图1 A：

①施加tACS前被试先进行2.5分钟的语音任务练习，然后记录5分钟的静息态EEG数据；

②施加20分钟1mA的tACS；

③tACS刺激结束后，记录5分钟静息态EEG数据；

④完成时长1分钟的简单的决策任务并记录EEG；

⑤完成时长15分钟的语音任务并记录EEG；

⑥每次实验结束后完成关于tACS刺激副作用问卷。

语音任务，如图1C：

300个高频且无歧义的德语词，150个为双音节，150个为三音节。

①词汇呈现800ms；

②注视点2200ms，被试的任务为按键判断该词语为双音节还是三音节。

简单决策任务，如图1C：

①向左或者向右的箭头500ms；

②注视点666ms，被试的任务为按键判断图片中箭头向左还是向右。

图.实验流程与tACS刺激.

tACS

置于双侧前额叶皮层(图1C)。刺激点位于T3-Fzx F7-Cz的交叉点(右前额叶皮层)和T4-Fzx F8-Cz的交叉点(左前额叶皮层)。为了在脑电极之间放置tACS电极，最终位置分别位于F1、F5和FC3之间(左半球)与F2、F6和FC4之间(右半球)。阻抗保持在10KΩ以下。震荡频率为10Hz(兴趣频率)、16.18Hz(控制频率)或假刺激，时长20分钟，强度1mA。在真刺激中电流在开始和结束的15s内上升和下降。在假刺激过程中，电流上升15秒，接下来维持1mA刺激(10Hz或16.18Hz)30s，然后在15秒内下降。选择16.18Hz作为控制频率，因为16.18Hz和10Hz的比值使同步的概率最小，且β范围内tACS的感知与α范围内的tACS相似(相对于θ或γ范围的tACS)。

EEG记录

64导Ag-AgCl脑电帽。电极置于10-20系统的Cz，C3和C4处，参考和接地电极置于Fp1和Fp2之间。此外，垂直眼电置于右眼下侧。采样率1000Hz，低通滤波250Hz。

信号预处理

以四阶IIR Butterworth滤波，进行40Hz低通滤波，1Hz高通滤波。静息态数据以1s为长度分段。剔除在500ms或更短的时间内电压大于125µV 的数据，再以ICA方法去眼电伪迹。与任务相关的EEG数据，以刺激前的800ms和刺激后的1000ms为窗口进行分段。随后，使用傅立叶变换(FFT)，将频率范围定义为1-30Hz，步长为1Hz。对于静息态数据，在1s时长的分段中进行FFT变换。对于任务相关的数据，刺激前800ms为第一个时距，刺激后的800ms为第二个时距。

统计分析与结果

行为数据分析与结果：

分析前对反应时数据进行了转置（即求其倒数）并采用错误反应计数进行分析。如图2，tACS和实验顺序的主效应显著，交互作用不显著。10Hz的tACS之后被试在决策任务中的反应显著快于假刺激，且该效应独立于实验顺序。在实验顺序上表现出了显著的学习效应。

对于错误分析，实验顺序及实验顺序与t ACS的交互作用均显著，tACS主效应不显著。交互作用出现在第一次实验中，10Hz的tACS比假刺激产生了更多的错误次数，而16.18Hz的tACS与假刺激之间没有显著差异，错误数和转置反应时之间没有显著性相关。

图2.语音决策任务行为结果

EEG数据分析与结果：

EEG数据：

对FFT转置数据进行基于非参数统计的被试内二因素聚类置换方差分析。采用基于聚类的Monte-Carlo 置换检验方法对显著性进行估计。

静息态与任务态EEG数据的频率分析：

对FFT变换后的静息态数据，在不同频段(θ：4~7 Hz，α：8~12Hz和β：13~30 Hz)中分别进行被试内二因素tACS频率（10Hz，16.18 Hz，假刺激）×时间（tACS前、后）聚类置换方差分析。对任务态数据也进行了同样的置换方差分析，其二因素为tACS频率（10Hz，16.18 Hz，假刺激）×时间窗口（刺激呈现前、后）。

兴趣区分析：

分别以左半球的F1，F5和FC3及右半球的F2，F6和FC4作为静息态和任务态EEG兴趣区。同样使用聚类置换方差分析，被试内因素有tACS (10 Hz，16.18Hz，假刺激)和脑区(左侧前额叶皮层：F1，F5，FC3；右侧前额叶皮层：F2，F6，FC4)。

静息态EEG结果：

如图3A与3B，2（时间）×3（tACS）聚类方差分析，发现tACS主效应不显著，两者交互作用不显著，时间主效应显著。施加tACS刺激后相对于刺激前三个频段的功率均显著增加。

如图3C与3D，ROI分析发现，tACS主效应不显著，脑区主效应显著：右侧前额叶皮层θ功率在施加tACS刺激前后的降低量显著大于左侧前额叶皮层；两者交互作用显著：α频段中tACS与脑区交互作用显著：相对于假刺激，两个真刺激条件均导致左侧前额叶皮层α功率的显著增大。

图3.静息态EEG结果

任务态EEG结果：

如图4A与4B，2（时间窗口）×3（tACS）聚类方差分析，发现tACS主效应不显著，时间窗口主效应显著：θ频段中，刺激呈现后功率显著大于刺激呈现前，α和β频段中，刺激呈现后功率显著小于刺激呈现前。

更重要的是，tACS与时间窗口在θ功率上的交互作用显著(p=0.04)：如图5B，施加10 Hz tACS后θ功率在刺激呈现后显著大于刺激呈现前，而施加16.18Hz与假tACS后θ功率在刺激呈现前后变化不显著，且只有施加10Hz tACS后被试的反应速度才与θ功率的增加呈正相关，如图5C。显著的通道位于Cz、Cpl、FC2、CP2、C4、FC6、C6、FT8和T8，如图5A。

如图4C与4D，ROI分析发现，tACS主效应不显著，脑区主效应显著：右侧前额叶皮层θ功率在刺激呈现前后的降低量显著大于左侧前额叶皮层；两者交互作用显著：相对于假刺激，两个真刺激条件均导致右侧前额叶皮层θ功率的显著增大。

图4.语音任务相关EEG结果

图5.语音任务相关EEG结果

结论

双侧前额叶皮层的tACS显著地促进了词汇水平上的语音决策。这一促进作用来自于θ功率在任务加工过程中的增加。这些结果表明，离线tACS提供了一个强大的调节工具，即便在刺激结束后的一段时间里，也可以调节任务相关的活动。该结果说明了tACS调节效应中频率特异性的重要性。

原文

Moliadze, V.,Sierau, L., Lyzhko, E., Stenner, T., Werchowski, M., Siniatchkin, M., &Hartwigsen, G. (2019). After-effects of 10 Hz tACS over the prefrontal cortexon phonological word decisions. BrainStimulation.