Psychophysiology|经颅时域干涉电刺激（tTIS）对精神旋转任务过程中事件相关的α活动的影响

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摘 要

研究目的：评估经颅时间干扰刺激（tTIS）在调节精神旋转任务中的α活动方面的有效性，并与经颅交流电刺激（tACS）和假刺激对照组进行比较，以了解tTIS在非侵入性刺激深层大脑区域方面的潜力。

研究方法：分析了48名参与者的数据，分为三种刺激条件：tTIS、tACS和假刺激组，并在刺激前、中、后执行交替的休息和精神旋转任务块。在刺激块期间，参与者接受了调整到他们个体α频率（IAF）的20分钟刺激。研究使用EEG数据来评估静息状态α功率的变化、事件相关去同步化（ERD）的α活动以及行为表现的改善。

研究结果：作者的结果表明，tTIS和tACS在精神旋转过程中有效地调节了皮质α活性，导致从刺激前到刺激后以及与假刺激相比，ERD增加。然而，ERD的这种增加与心智旋转能力的增强无关，静息态α功率保持不变。

创新点：文章的最大创新点在于展示了tTIS能够调节精神旋转任务中的α活动，并且这种调节效果与tACS相当，但与假刺激对照组相比有显著差异。此外，研究还发现tTIS和tACS的刺激效果在主动认知任务中更明显，而对静息神经元系统的影响较小。

方 法

基于EEG电极Pz处第一次静息区块中记录的EEG数据确定IAF，并将其用作刺激频率。对于tACS组和假刺激组，作者使用顶枕电极导联，tACS组的参与者总共接受了20分钟的刺激，分为RestStimulation和RotationStimulation块，而假手术组的参与者在刺激块开始时只接受了30秒的刺激。刺激强度分别在开始和结束时上升和下降10 s。tTIS组，第一对电极被定位成一个电极在P4上，另一个电极在I1和O1之间。第二对布置成一个电极在P3上，另一个放置在I2和O2之间。对于包络频率，作者使用IAF。f1 = 1000 Hz和f2 = 1000 Hz + IAF的刺激频率。与tACS的情况一样，tTIS的刺激持续时间总共为20分钟，分为静息刺激和旋转刺激块，刺激在10秒内开始时逐渐增加，结束时逐渐减少。

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图1实验时间流程

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图2实验任务与电极蒙太奇

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图3刺激信号示例（右图为放大的波形图）

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图4Resting-­state alpha power & Mental rotation accuracy

实验未观察到刺激对静息状态α功率的显著主效应[F（2，45）= 1.19，p = 0.314，2 p = 0.050，2 G = 0.045]，也未观察到刺激×区块之间的相互作用[F（6，135）= 0.931，p = 0.475，2 p = 0.040，2 G = 0.004]。α-AlphaRest的ANOVA未显示刺激的主效应[F（2，45）= 1.15，p = 0.327，α-2 p = 0.048]。总之，这些发现表明，在实验过程中，α功率确实增加，但这种增加在刺激组之间没有差异。RotationBaseline块中的基线准确度分析未显示刺激的统计学显著主效应[F（2，45）= 1.38，p = 0.263，P = 0.058]，对任务准确度的分析没有显示刺激的主效应[F（2，45）= 0.653，p = 0.525，P = 0.028]，表明所有组的任务准确度都有相当的提高。

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图5 Mental rotation reaction time & Mental rotation ERD

对旋转基线区块中RT的基线差异进行分析，发现主效应刺激具有统计学显著性[F（2，45）= 3.31，p = 0.046，P = 0.128]。因此观察到的差异可能是随机效应，因为随机分配了较慢的参与者tACS组、tTIS组的快速受试者或两种情况的组合。事后分析显示，这是由于tACS组的RT明显低于tTIS组[t（45）= 2.57，ptukey = 0.035]，这与这些组之间发现的基线差异一致。tTIS组与假手术组[t（45）= 1.19，ptukey = 0.464]或tACS组与假手术组[t（45）= 1.26，ptukey = 0.426]之间无差异。此外，我们在RT上观察到显著的区块×刺激相互作用。刺激组之间ERD的基线差异分析未显示显著差异，这表明任务相关振荡活动的显著变化。虽然刺激对ERD的主效应无统计学显著性，观察到显著的区块×刺激相互作用。这表明，与假刺激相比，两种真刺激均显示ERD增加，而真刺激条件之间无明显显著差异。

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图6ΔAccuracy vs ΔERD & ΔReaction Time vs ΔERD

（e，f）相关性分析显示，ERD的变化与任务准确性（e）或RT（f）的变化之间没有显著相关性。作者进行了相关性分析，以确定ERD值的增加是否与行为表现的改善相对应。这并未显示ΔAccuracy和ΔERD之间存在显著相关性[r（46）= .095，p = .259]（见上图e），ΔRT和ΔERD之间也不存在显著相关性[r（46）= .021，p = .556]（见上图f）。这导致的结论是，ERD的变化并不伴随着行为表现的变化。

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图7时频表示（TFR）

3个描述ERD变化的时频表示（TFR）：衰减是基线和刺激后任务区块之间IAF处的功率。TFR在IAF处对齐，并在每个刺激组内的参与者之间取平均值。相对基线校正的参考期定义为刺激开始前从−2到0的范围，如白色条所示。与基线任务相比，刺激组（tTIS、tACS）在刺激后区块中IAF周围的功率明显降低，导致ERD增加。假刺激组未表现出ERD的这种变化。

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图8探索性分析

（a，b）ERD和α活性变化的相关性分析。分析重点关注（a）测试期（刺激呈现后0至3 s）和（b）参考期（刺激呈现前-2至0 s）期间ERD（ΔERD）和α活动变化（ΔAlpha = AlphaPoststim − AlphaBaseline）的差异。结果表明，试验期间的Δ α与ΔERD之间无显著相关性，但在参考期间的Δ α与ΔERD之间观察到趋势显著性。这表明ERD的变化更有可能是由于参考期而不是测试期的功率变化造成的。

(c)精神旋转期间参考和测试期间α变化的分析。其输入到具有因子周期（参比，试验）和受试者间因子刺激（tACS，tTIS，假刺激）的rmANOVA中，然而，主效应刺激和交互效应周期×刺激均未达到显著性。这表明，尽管参考期似乎是影响ERD变化的主要因素，但将刺激效应完全归因于参考期或测试期过于简单化。这可能表明两个时期的刺激效应和α活动变化之间存在复杂的相互作用。

(d)跨任务和区块的IAF分析。IAF在静息区块中保持稳定，而在旋转任务中，与静息区块相比，IAF显著升高，并且从基线到刺激后的任务中显著减慢，这归因区块任务的影响。

结 论

在作者的研究中，尽管ERD增加，没有观察到行为表现的改善。作者给出的一个可能的解释是，差异是存在行为上限效应。作者的发现表明刺激对反应时间没有显著影响，这与现有文献一致，现有文献也没有观察到α活性增加后的性能改善。