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

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.

原文发布于微信公众号 - 思影科技(siyingkeji)

原文发表时间:2019-07-16

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