GeroScience：tACS可改善主诉健忘老年人的记忆能力

主观健忘（Subjective memory complaints，SMC）代表认知成分中的事件记忆出现问题，是老年人阿尔茨海默病的预测因子。本试验的目的是在双盲、随机和假对照的平行实验下，研究经颅交流电刺激（tACS）于内侧前额叶皮层（mPFC）对SMC患者情景记忆改善的效果。16名SMC参与者在mPFC上接受了主动或假的theta tACS治疗。记录脑电图，并进行Rey听觉语言学习测试（RAVLT）。通过RAVLT测量，tACS可显著改善情景记忆表现。与假手术组相比，脑电图数据显示主动tACS导致theta功率下降；中央后、脑岛和扣带回的theta, alpha和gamma电流源密度（CSD）下降；theta和gamma相位同步减少。此外，RAVLT延迟回忆评分与theta频带的左下回CSD之间存在显著相关性。本研究结果显示，mPFC的theta tACS可以通过调节大脑额叶和颞叶区域的活动来改善SMC患者的事件记忆，因此可以被认为是治疗健忘的潜在干预手段。

1. 介绍

在老年人所面临的认知缺陷中，主诉健忘（SMCs）非常常见，它也被认为是阿尔茨海默病的第一个临床前表现和预测因子，被利用在AD早期诊断中，特别是老年SMC患者具有AD患者典型的神经解剖损伤。无创脑刺激（NIBS）技术已经被用于改善健康个体的情景记忆，虽然有许多研究调查了NIBS对AD和MCI的影响，但只有一项研究调查了tDCS改善SMC受试者情景记忆。来自电生理学研究的证据表明，SMC患者大脑中大多数区域的功能连接（FC）以及theta、alpha和beta频带的功率都是增加了。在SMC个体中，alpha3功率的增加与AD的PET淀粉样蛋白标记物相关。可以认为，在高低alpha频率的FC的增加与淀粉样蛋白沉积的增加有一定的关系。此外，theta，alpha，和gamma频段和情景记忆的编码和检索有关，theta相位同步和额叶和颞叶区的情景记忆有关，这为tACS干预SMC提供了有效依据。考虑到tACS能够调节theta相位同步，我们可以认为它可以有效地使SMC患者受损的电生理正常化，特别是在与情景记忆相关的靶区。在大多数NIBS的研究中，背外侧前额叶皮层（DLPFC）是增强情景记忆的靶区域。内侧前额叶皮层（mPFC）也是SMC的病理位点，也和情景记忆有关，因此可以成为tACS研究的合理兴趣区域。这个区域之前已经被tACS定位，结果发现它可以影响注意行为和调节相位同步性。

SMC个体在海马体和mPFC等区域的灰质体积减小，而在DMN和内侧视觉网络等区域的FC体积增加，所以mPFC是功能失调DMN导致的SMC的主要位点。基于前期结果，本研究的目的为探索tACS潜在的调制theta相位同步特性是否可以改善SMC。

2. 材料和方法

2.1 被试和流程

被试招募流程如下图1。纳入标准：50岁或以上，迷你精神状态检查（MMSE）分为27-30间，日常记忆问卷（EMQ）总分58或以上，老年抑郁量表（GDS）和状态特质焦虑清单表示无抑郁和焦虑迹象，基于DSM-V标准没有痴呆的迹象。排除标准：有主要心理或神经系统疾病史、头部创伤导致无意识史或任何其他tDCS禁忌症，脑血管问题或皮质梗死和多发性腔隙性卒中。在刺激阶段之前，进行Rey听觉－语言学习测试（RAVLT）来评估情景记忆功能。记录静息状态闭眼脑电图5 min后，给予tACS20 min。刺激后，再做5分钟的闭眼脑电图记录。刺激后立即给予另一种形式的RAVLT，这是针对同一受试者的第二次评估，形式改变避免了学习/重复效果。整个实验时长为3h。

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图1 实验程序示意图

2.2 测量方法

采用28项版本的EMQ来量化记忆主诉。神经心理评估MMSE 来检查记忆主诉，并验证没有任何客观的认知缺陷。采用老年抑郁量表（GDS）和状态－特质焦虑量表（STAI)以排除抑郁和焦虑症状。情景记忆测量采用Rey听觉语言学习测试（RAVLT；雷伊，1958）。这个测试测量了言语记忆、被干扰概率和识别记忆。使用15个单词（列表A），连续大声朗读几次。每次试验后都要进行自由召回测试。接下来，一个有15个单词的干扰列表（列表B）只进行一次自由回忆测试。在回忆列表B后，评估在20分钟后回忆列表A的能力。最后，当参与者被要求从50个单词中识别出列表A中的单词时，以此来评估识别记忆。RAVLT的实施通常需要10-15min。在连续的试验过程中，参与者必须记住一个15个单词的列表（列表a）。这些单词间隔有1秒的延迟，它们在每次试验中以相同的顺序出现。RVLT有几个分量表，包括单词检索（Word Spam，WS；第一次试次中正确回忆单词）、延迟回忆（Delayed recall,DR；延迟20分钟后回忆单词）、前摄干扰（proactive inference，PI；第一次试次中回忆的单词数减去列表B中的回忆单词）、后摄干扰（retroactive inference，RI；第5次回忆单词减去第6次回忆单词）、末获取（final acquisition, FA；第5次试次正确回忆单词）、总获取（total acquisition，TA；试次1到5中正确回忆项目总数）、遗忘率（forgetting rate，FR；第5次试验回忆项目减去7个试次的）和识别得分。使用RAVLT来评估tACS疗程前后的情景记忆功能。

2.3 tACS刺激方法

使用电池驱动的刺激器系统(DC-stimulator plus, Neuroconn, Ilmenau, Germany)和两个海绵电极（约5×7cm/35cm2)，如图2所示。目标电极放置在内侧前额叶皮层（Fpz）上，返回电极放置在Oz上。刺激波形为正弦波形，无直流固定，相对相位为零。在整个实验过程中，阻抗均保持在10 kΩ以下。采用正弦刺激波形，频率为6 Hz，峰－峰强度为2.0 mA。在假手术组中，程序和刺激特征（电流振幅和频率）与实验组相同，但刺激的持续时间30秒后被自动切换，这也是考虑在刺激开始时有轻微的瘙痒感。

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图2 实验过程的示意图

2.4 脑电图记录和分析

采用10/20布局，将64个Ag/AgCl电极放置在头皮上，接地电极位于Fpz和Fz电极之间。脑电图以1200 Hz的频率采样。在实验过程中不断进行检查阻抗，并保持在5 kΩ以下。

2.4.1 功率分析

分析频段包括delta (2–4Hz), theta (4–8 Hz), alpha (8–13 Hz), beta (13–30 Hz), 和gamma (30–45 Hz)。首先，使用 a hamming window窗口化所有电极；然后，利用5个频段内所有通道的修正周期图估计获得绝对功率。

2.4.2 相位同步连接

在本研究中，采用锁相值（PLV）来估计相位同步。为此，使用有限脉冲响应（FIR）带通信号器获得窄带信号。然后应用 Hilbert transform测量瞬时相位时间序列。PLV的范围在0到1之间，1表示完全同步，0表示不同步。

2.4.3 脑电图源定位

eLORETA可以计算电流密度的皮质分布。与之前的LORETA和sLORETA断层扫描相比，eLORETA有了显著的改善。在该方法中，在结构噪声的存在下，定位不存在空间偏差，可以将大脑深部准确定位到电流源。eLORETA的头部模型和电极的坐标是基于蒙特利尔神经学研究所（MNI）的坐标。采用无伪影脑电图段计算eLORETA颅内光谱密度，分辨率为2~45hz。计算了以下6个频段的光谱密度的eLORETA功能图像：delta（0.5-4Hz）、theta（4.5-8Hz）、alpha(8-13Hz)、(13-30Hz）和gamma（30-40Hz）。eLORETA利用非参数统计映射（SnPM）方法进行电流源密度分析。采用eLORETA中的体素-体素t检验计算各组tACS前后皮质源定位的差异。使用所有体素和频带的多重比较校正，以及5000数据随机化来确定t检验的临界阈值。

2.4.4 相关分析

评估eLORETA结果（即CSD）与RAVLT得分（最后获取、遗忘率、延迟回忆和追溯性干扰），计算了两者之间的相关性。基于eLORETA研究，本研究采用CSD的对数。相关值的临界概率阈值设置为P=0.05，并进行了多重比较校正和非参数随机化确定。eLORETA的结果没有根据人口统计学数据进行调整。

2.5 统计分析

行为数据的主要测量方法是DR和RAVLT的识别子分数，是记忆表现的信息表。为了评估tACS对组间记忆表现的影响，我们分别将刺激组（主动性和假性）和时间（刺激前和刺激后）分别作为受试者之间和内部因素进行了混合方差分析。PLV分析采用配对样本t检验。另一方面，采用独立样本t检验来检验刺激后刺激组和假手术后刺激组之间的潜在差异。所有测试的意义水平为0.05（双尾，Bonferroni校正）。脑电图数据进行统计分析中所有通道采用FDR校正。

3. 结果

3.1 被试特征

参与者没有报告不适，也没有因NIBS相关的不良事件或副作用而中断。各组的人口统计学信息和基线问卷数据见表1。组间差异都不显著。

表1基本人口统计学和基线问卷数据。EMQ日常记忆问卷、 STAI状态－特质焦虑量表、GDS老年抑郁量表、MMQ迷你精神状态检查。

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3.2  tACS对行为结果的影响

时间差异统计学主效应显著。此外，在FA (F(1, 14)=19.22, p=0.001), WS (F(1, 14)=25.14, p<0.001), DR (F(1, 14)=35.22, p<0.001), RI (F(1, 14)=5, p=0.042), TA (F(1, 14)=19.48, p=0.001), FR (F(1, 14)=9.3, p=0.009), and recognition (F(1, 14)=19.69, p=0.001）发现了显著的时间*组交互作用，在 PI (F(1, 14)=0.609, p=0.448).中未发现。在所有观察到的显著交互作用中，除了FR因刺激而降低外，tACS导致得分增加。

表2 各刺激组tACS前后RAVL得分的平均值和标准差。WS单词检索、DR延迟回忆、PI主动干扰、RI追溯干扰、FA末采集、TA总采集、FR遗忘率

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3.3 EEG结果

3.3.1 功率分析

在刺激组中，刺激前和刺激后的绝对功率的统计学比较显示，在额叶、顶叶中心和顶叶区的theta频带有明显的变化，图3显示了所有电极的刺激前和刺激后比较的t值，以及在theta频带内的主动刺激和假刺激前后的绝对功率。可以观察到，在theta频带内，主动刺激后，绝对功率减小。在其他四个频带中，主动刺激组中都不存在减小；然而，它在假刺激组的5个频带中都存在减少。

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图3 主动和假实验组刺激前后theta频带的平均脑电图，以及刺激前和刺激后差异的t值。显著性差异用红色圆圈表示（P<0.05，FDR校正）

同样，在额叶的alpha频带中，绝对功率也显示出明显的变化。结果表明，在alpha频段内，主动组的绝对功率低于假刺激，在其他四个频带中未发现刺激后的组间差异。

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图4 表示主动和假实验组alpha频带的平均绝对功率，以及主动刺和假刺激后之间的差异的t值。显著性差异用红色圆圈表示（P<0.05，FDR校正）

3.3.2 电流源密度分析

基于eLORETA的电流密度分析表示在主动与假实验组中产生了显著的差异（图5）。在静息状态下，主动tACS刺激导致theta频率段中央后回（布罗德曼区5区）、alpha频率的脑岛区（布罗德曼区13区）和gamma 频段扣带回（布罗德曼区24区）的CSD显著减少。

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图5 eLORETA电流源密度分析显著差异位置：a.theta频段中央后回；b.alpha频段岛叶；c.gamma频段的角回。

3.3.2 CSD与RAVLT评分的相关性分析

eLORETA回归分析得出了theta、alpha、beta和gamma频带与RAVLT分数之间的5个显著相关性。eLORETA回归分析显示，在tACS主动组中，在刺激前和刺激后，theta和beta频带的额下回CSD与遗忘率（r=−0.99，p=0.007）和延迟回忆（r=−0.99，p=0.003）呈显著负相关（图6a、b）。此外，alpha频带的内侧额回的CSD与末获取（r=0.98，p=0.01），beta频带的中央后回的CSD与回顾性干扰（r=0.98，p=0.008）之间存在显著正相关（图6c、d）。

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图6 CSD和RAVLT评分之间的eLORETA相关性分析显示

3.3.3 PLV

锁相值（PLV）邻接矩阵、脑电图传感器之间的功能脑连接网络，以及对theta、alpha和gamma频带的FDR校正后的显著偏差如图7所示。在主动刺激后，额叶、中央和顶叶区域的连通性发生了显著的变化。可以观察到，大多数大脑连接的变化是在theta和alpha频段。在其他两个频段中，主动刺激前和主动刺激后之间没有明显的变化。同样，假刺激前和假刺激后的区域间连接，在theta频带中，F2和P9之间的连通性降低，而FCz和C6、FCz和P10之间的连通性增加。在其他三个频带的假刺激前和假刺激后均未发现这种关系。

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图7相邻两列显示了刺激前和刺激后的theta、alpha和gamma频带的邻接矩阵和功能连接网络。所有大脑网络的稀疏度被设置为0.2。第三列显示了信道对矩阵和网络显著位置。（P<0.05，FDR校正）。红线和蓝线分别代表刺激后和刺激前的功能连通性

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图8显示了在theta和gamma频段的额叶、中心顶叶和顶枕区主动和假刺激组间比较后条件t值和显著差异。

4. 讨论

本研究探讨了tACS对SMC患者情景记忆的改善作用，研究结果表明，theta频率的tACS确实能够改善情景记忆表现。电生理数据显示，与假刺激组相比，tACS组的theta功率和theta和gamma相位同步性降低。

4.1 情景记忆的影响

以往研究发现，DLPFC上的gamma tACS可改善长期记忆，theta tACS可改善老年人的工作记忆。Gamma tACS用于改善阿尔茨海默病患者的情景记忆，楔前叶的gamma tACS增加了后区的gamma频率活动，改善了这些患者的事件记忆表现。也有证据表明，MCI患者中DLPFC的gamma tACS可以通过去除beta频带来改善认知能力。总之，无论使用tACS进行刺激的频率如何，似乎tACS导致的theta的减少，gamma的增加和beta频带的增加影响了认知功能。

4.2 EEG功率的结果

结果表明，在theta频带内的绝对功率有所下降，而theta的增加被认为是AD的主要电生理指标之一。有证据表明，在AD高危人群中，区域血流减少，海马体theta活动明显；然而，在低风险个体中却观察到相反的情况，研究一致认为theta功率随年龄变化，老年人的基线theta活动高于年轻人，这也是在老年人中观察到的theta减少的一个潜在原因。因此，本研究中老年人在接受tACS后theta减少行为改善有关。

4.3 CSD分析

mPFC的Theta tACS导致中央后回、岛叶和扣带回的Theta、alpha和gamma频带的CSD显著降低，这些区域都被认为与一般的情景记忆表现，特别是提取过程有关。CSD的下降趋势可以与功率调制相同的原因来解释。

4.4 相关性解释

负相关存在于RAVLT的遗忘率和延迟回忆子分数与额下回（IFG）theta和beta频段活动、末获取和追溯干扰子分数与内侧额叶和中央后回alpha和beta频段活动。右侧IFG与注意和反应抑制相关，左侧与检索和编码过程相关。验证以往研究：RAVLT神经相关性的研究中，IFG与SMC患者的遗忘率相关，左IFG的beta去同步化导致编码过程的中断，中央后回与情景记忆缺陷患者的即时和延迟回忆得分以及RAVLT的一般学习和识别亚得分相关，左侧中央后区域的萎缩水平与延迟回忆评分之间呈负相关。

4.5 FC结果

PLV分析显示，在主动tACS前后比较时，theta和alpha频带分别显著增加和减少，而gamma频带则显著增加。在theta频带中，右侧额叶和左侧中央、左侧颞区之间的FC明显增加。额叶和顶叶、额叶和颞叶区域之间的Theta相位同步已被证明在情景记忆的编码和提取阶段中有作用。右额叶和左顶叶区域之间的Theta相位同步与识记的整合有关。theta相位同步可以通过额叶自上而下控制后部区域，在检索过程中发挥作用。Gamma相位同步支持局部记忆特征的自底向上的过程，增强信息从一个大脑区域到另一个大脑区域的传递，促进自上而下和自下而上过程中的信息传递。这些结果表明，主动tACS能够影响情景记忆的两种主要机制。活动和假tACS组间相比，活动组在左侧颞叶、左侧额叶和左侧枕区的theta和伽马频段FC显著降低。顶叶和枕叶区的静息态FC以及内侧视觉网络中的静息态FC增加与SMC相关。tACS通过减少额叶、颞叶和枕叶区域的theta和gamma频带的FC来提高SMC者的情景记忆表现。

5. 缺陷

低样本量；两组刺激组中女性的绝对优势；可以进一步延长随访时间；单次tACS刺激。因此，建议对这些结果进行谨慎的解释。