利用經顱電刺激增強α振蕩調控默認

利用alpha振蕩的神經刺激干預或許可以成為治療由DMN功能紊亂引起的精神疾病的潛在手段。

一、背景

在大腦的功能組織中,默認模式網路 (DMN) 代表了一個關鍵架構,主要包括的腦區有後扣帶回皮質( posterior cingulate cortex,PCC)、楔前葉(precuneus)、內側前額葉皮質(medial prefrontal cortex,MPFC)、頂下小葉(inferior parietal lobule,IPL)以及雙側顳葉皮質(bilateral temporal cortex)。該網路在靜息狀態時,存在較強的自發性活動,DMN 支援先進的人類心理功能(例如,意識、自我參照、社會推理、回憶過去和期待未來)。有研究表明,精神疾病與局灶性腦病理無關,而是與分佈腦網路的廣泛功能障礙有關,例如,阿爾茨海默病、精神分裂症和創傷後應激障礙。生理學上,靜息狀態 (RS) 同步 EEG-fMRI(腦電圖和功能性 MRI)記錄揭示了α(8 - 12 Hz)振蕩和 DMN 活動之間存在正相關的關係。2022年1月,一篇發表在PNAS上的文章,題目為《Transcranial stimulation of alpha oscillations up-regulates the default mode network》,將經顱交流電刺激(tACS)、EEG、fMRI三種技術相結合,觀察了α振蕩對默認模式網路內部連接性的影響。

二、結果

1、tACS 功效驗證(α-tACS 增加 α 功率和連接性)

 總共有 41 名健康志願者(24 名女性,20.8 ± 3.2 歲),參與者被隨機分配到兩組,一個active組(n=21)和一個sham組(n=20),兩組分別進行20分鐘的tACS真實刺激或虛假刺激,在刺激前後分別進行靜息態EEG-fMRI同步記錄。結果發現,最大和焦點電場位於枕頂葉皮層(圖1A),且在經tACS 後,右側枕頂葉皮層 α 能量增加(圖1B),這些結果證實研究者的 tACS 準確地針對枕頂葉皮層。

接下來,研究者為了驗證 α-tACS 的功效,觀察到從刺激前到刺激後,Active組的右後 α功率和右後額(P→F)α連接性增加。具體表現為:①在 tACS 後,Active 組 (n= 17) 顯示右後 α 功率較基線顯著增加,而 Sham 組沒有觀察到變化(圖C-E)。②使用格蘭傑因果關係(GC)分析來檢查這種 alpha 連通性的變化。發現 Active 組也表現出右半球 alpha P→F 連通性的增加,而 Sham 組再次不存在這種情況(圖F、G)。因此,功率和連接性的增加都受限于 alpha 頻率,突出了 tACS 對 alpha 振蕩的特定影響。

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圖1  tACS 的位置、有效性

A:使用 4 × 1 蒙太奇在中線枕頂部位應用 HD tACS(4 個周圍 + 1 個中央電極形成一個閉合電路)

B:Active組中 EEG α 功率的源級分析顯示右側枕頂葉皮層的最大 α 功率增加

D、E:相比于sham組,tACS組被試在接受刺激之後右側後部腦區alpha能量提高

G:相比于sham組,tACS組被試在接受刺激之後右側後部到額部(P→F)alpha連接性的提升

2、α-tACS 增加了基於BOLD信號的DMN 連接性

然後,研究者進行了基於 DMN 內部的功能連通性分析,結果發現,Active 組在 tACS 後顯示連接性增加,且僅局限于DMN內部以及tACS靶點位置(圖2A-C)。

3、α-tACS 增加了 DMN alpha頻率連接

接下來,研究者驗證了tACS 對DMN內部alpha頻段的連接性。結果顯示,Active 組的連接性增加(從PCC到MPFC的格蘭傑因果關係),全腦圖表明從 PCC 到 MPFC 的alpha連接增加。

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        圖2 α-tACS 增加了 基於BOLD信號的DMN 和 α 頻率連接

A-C:Active 組在 tACS 後顯示 vPCC-mPFC 和 vPCC-rANG 連接性增加

D-F:alpha-TACS增強了alpha頻段的DMN內部連接性

4、alpha連接性的增強在alpha-tACS干預和DMN功能連接增強之間起到了仲介作用。

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圖3 Alpha P→F 連接通過 α-tACS 增加介導的 DMN 連接增強

A:BOLD vPCC-mPFC 連通性的變化與右半球 P→F α 頻率連通性/GC 之間存在正相關關係

B:仲介模型展示了 tACS 組通過增加右半球 P→F α 頻率GC對 DMN 連接性增加的間接(即仲介)影響

5、α-tACS 增加了 tACS 靶點和DMN 之間的連接

結果顯示,tACS增強了從靶點到DMN節點(mPFC、vPCC)的功能連接(圖4A)。以tACS靶點為種子點的全腦功能連接表明(圖4B),tACS靶點到DMN節點功能連接的增強只存在於Active tACS組。

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圖4  tACS 靶點和 DMN 之間的連接性增加

A:表明tACS增加了tACS 靶點和中線 DMN 集線器(tACS-mPFC 和 tACS-vPCC)之間的連接

B:tACS靶點基於種子點的全腦連接圖進一步表明僅活動組的 tACS 與中線 DMN 集線器的連接增加

三、結論

本研究通過一系列的試驗研究發現利用alpha頻率的tACS可以增強大腦既定區域的alpha活動,並且以此為仲介進一步增強DMN內部的功能連接作用,這表明alpha振蕩能夠調控DMN。因此,利用alpha振蕩的神經刺激干預或許可以成為治療由DMN功能紊亂引起的精神疾病的潛在手段。

文獻來源:Clancy, Kevin J., et al. "Transcranial stimulation of alpha oscillations up-regulates the default mode network." Proceedings of the National Academy of Sciences 119.1 (2022).

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