經顱直流電刺激（tDCS）是一種非侵入性弱電流腦刺激技術，其主要是根據電極刺激極性不同使神經元的激活閾值不同，從而調節大腦皮層的興奮性。本文將健康受試者隨機分為三組：陽極刺激組、陰極刺激組和偽刺激組，每組 5 名受試者。然后，記錄三組受試者刺激前和刺激后測試心理旋轉能力的績效數據，并采集靜息態和任務態腦電數據。最后，通過對比分析三組受試者的行為學數據和腦電數據，探索經過不同極性的電刺激對三維心理旋轉能力的影響。研究結果發現，陽極刺激組受試者正確反應時/正確率、正確率績效水平均高于陰極刺激組和偽刺激組，并且差異有統計學意義（P < 0.05）；alpha 波功率分析，發現心理旋轉主要激活腦區有額葉、中央區、頂葉和枕葉；陽極刺激組，alpha 波功率在額葉和枕葉發生顯著變化（P < 0.05）。本文結果表明，陽極刺激組在一定程度上能夠提升受試者的心理旋轉能力，本文研究結果可以為進一步研究 tDCS 對心理旋轉能力的作用機制提供重要的理論支持。
引用本文： 郭婭美, 焦學軍, 姜勁, 曹勇, 楚洪祚, 李啟杰. 基于經顱直流電刺激的心理旋轉能力增強研究. 生物醫學工程學雜志, 2021, 38(4): 630-637. doi: 10.7507/1001-5515.202011083 復制
引言
經顱直流電刺激（transcranial direct current stimulation，tDCS）是一種使用非侵入性弱電流調節細胞膜電位和受刺激神經元之間的突觸強度，從而產生認知效應的腦刺激技術[1]。一般認為陽極刺激降低神經元的激活閾值使神經元去極化，從而增加皮質興奮性；而陰極刺激增加神經元的激活閾值使神經元超極化，從而降低皮質興奮性[2]。一項系統性研究表明，tDCS 是提高腦卒中患者的自適應可塑性的有效途徑，并在運動前和運動后康復有顯著作用[3]。因此，研究認為 tDCS 的長期作用可能與神經可塑性調節中的長時增強或抑制具有共同的特征[4]。最近一項研究表明，不同刺激參數的 tDCS 對初級運動皮層的神經可塑性的增加不同[5]。此外，tDCS 刺激還可以促進多個基本認知能力變化，包括學習、注意力、感知、短時記憶、判斷決策等[6]。然而，盡管有可信的認知增強證據，但觀察到的效應變化差異依然很大，即使應用于同一大腦區域也是如此[7]。相關因素可能包括認知過程的復雜性、刺激持續時間和電流密度、個體解剖學差異、潛在任務相關的活動以及當前極性對特定皮層區域的影響。
心理旋轉（mental rotation，MR）是指人們將自己或者客觀物體的表象在自己大腦中進行二維或三維旋轉的心理加工過程。該概念是由 Shepard 等[8]在 1971 年首次提出的，其判斷同時呈現的物體旋轉后是否相同。心理旋轉作為空間認知能力的一個核心要素，是衡量個體空間能力的重要標準之一。心理旋轉中最為人們關注的是刺激素材，根據刺激素材的不同將其分為主體和客體、二維和三維等；根據呈現的方式不同將其分為同時呈現和單個呈現。其中客體是指以物體為參照，如圖形、字母和數字等[9]；而主體是以自我為參照，如肢體或者手部等[10]。現有研究針對心理旋轉的激活腦區是否有半球優勢，還一直存在爭議。大量研究發現心理旋轉能力起主要作用的腦區是頂葉、枕葉和額葉。隨著研究的深入，一些研究發現心理旋轉能力有右半球優勢，但也有相反的結論，認為是左半球優勢。Pegna 等[11]發現在旋轉圖片過程中，激活較多的是右側頂-枕葉皮層。Papanicolaou 等[12]研究旋轉立體圖形時誘發電位發現左右半球有明顯的不同，在右頂葉中腦電位明顯高于左頂葉。Mehta 等[13]研究了腦損傷患者的心理旋轉能力，發現左半球損傷患者績效結果明顯降低，表明心理旋轉能力是左半球優勢。Lamm 等[14]將立體圖形旋轉分為編碼、旋轉以及匹配三個過程，發現上頂葉在旋轉過程中被顯著激活。Yu 等[15]通過事件相關電位和事件相關同步測量心理旋轉能力，發現進行三維立體旋轉時，內側頂葉有更高的激活。綜上，通過總結以及前期實驗，本研究選擇刺激腦區為頂葉，并通過設置陽極刺激和陰極刺激來確定激活腦區是左半球還是右半球。
在電刺激對心理旋轉的研究中，劉曄[16]使用交流電刺激發現，alpha 和 beta 節律交流電刺激可以提高心理旋轉測試的反應時間績效指標，但對正確率指標沒有影響，可能由于測試任務較為簡單。隨后石靜[17]研究了交流電和直流電對心理旋轉的影響，發現直流電刺激效果更佳。Kikuchi 等[18]研究了直流電刺激患者和健康人刺激枕-顳區心理旋轉能力的變化。對于心理旋轉能力的電刺激研究，刺激腦區、測試范式等的不同，對結果的影響有很大差異。
隨著航天在軌時間的延長、操作任務復雜性的增加以及航天特因環境，航天員的認知能力會有所下降，如在失重條件下，人體的定向能力、協調能力和運動系統等都會下降。田雨等[19]進行二維心理旋轉、三維心理旋轉與手控交會對接任務的關聯分析，發現受試者在三維心理旋轉情況下績效指標與手控交會對接任務績效顯著相關。由此可見，研究 tDCS 對心理旋轉能力的影響，對維持典型航天任務績效水平具有積極作用。然而，基于 tDCS 的心理旋轉能力的影響還不確定，心理旋轉能力的激活腦區，大多數研究發現有額葉、顳葉、頂葉和枕葉。在半球優勢方面，有研究呈現右半球優勢，有研究則沒有發現半球優勢。在劉曄[16]的研究中，績效結果沒有變化，可能由于在測試前，績效指標已經達到天花板效應。本研究首先對刺激素材進行完善、增加難度，盡量減小天花板效應，最后設置不同刺激的電極位置，來研究 tDCS 對心理旋轉能力的影響。
1 材料和方法
1.1 材料
1.1.1 實驗設備
實驗設備中電刺激儀是德國 Neuroconn 公司研發的 DC-STIMULATOR MC，是經過歐洲 CE 認證的醫療設備，是一款多功能經顱直流電刺激器，支持 tDCS 和經顱交流電刺激（transcranial alternating current stimulation，tACS）等多種電刺激方式。電流設置 0～4 mA。
腦電設備選擇原產地荷蘭的 Eegosports 64 通道無線腦電肌電系統的設備，該設備最多 64 通道，也可以配置成為 32 通道。本實驗中，根據國際腦電圖學會制定的 10-20 電極導聯定位標準，采集 32 導聯腦電信號。實驗中采樣頻率 500 Hz，電極與頭皮之間的阻抗保持在 5 kΩ 以下，其中耳根處 M1、M2 為參考電極位置。
1.1.2 實驗對象
本實驗招募 15 名健康受試者，全部為男生，隨機等分為三組，即每組 5 人。年齡在 23～30 歲，均未接受過電刺激實驗，均為右利手，視力矯正到正常水平，實驗過程中精神狀態良好。實驗環境安靜無打擾，實驗前所有受試者均進行相同的培訓，并簽署知情同意書后，選擇自愿參加實驗，實驗結束后給予一定的報酬。該實驗已通過人因工程重點實驗室的醫學倫理委員會批準。
1.1.3 tDCS 參數選擇
tDCS 刺激參數主要涉及電流大小（0.5～2 mA）、刺激時長（5～30 min），以及刺激腦區[20-21]。結合安全方面和文獻方面的依據，本次實驗選擇電流大小 1 mA、刺激時長 15 min。對于腦區的選擇，目前存在爭議，因此本文針對不同電極極性、腦區激活優勢半球的不同設置對照組。定義陽極刺激組為：陽極放置右頂葉 P4 位置，陰極放置左側頂葉 P3 位置；陰極刺激組為：陰極放置右側頂葉 P4 位置，陽極放置左側頂葉 P3 位置；對照組偽刺激電流設置為 0 mA。刺激時長為 15 min，電流大小為 1 mA，刺激開始和結束有 30 s 的線性上升電流和線性下降電流。其中，為了避免受試者覺察到偽刺激，偽刺激中有 2 min 的 1 mA 刺激電流。如圖 1 所示為電流刺激波形圖。
圖1
真/偽刺激電流波形示意圖
Figure1.
Schematic diagram of real/sham stimulation current waveform
1.1.4 心理旋轉實驗流程
前文指出，刺激素材太簡單，受試者績效水平普遍較高，不便于體現 tDCS 物理刺激的效果，因此本研究對三維立體圖形素材增加難度。研究表明，棱角、方向、旋轉角度等的不同，心理旋轉的難度會增加。本研究，通過 3D Max 重新建模，增加旋轉的角度和旋轉軸，使任務難度增加。設計刺激素材分為 4 組類型，如圖 2 右下方所示。經過刪減一些無法分辨方向的素材，最后保留 356 張刺激素材。經過實驗前測試發現，難度確實增加，正確率由原來的平均 87% 降低至 70%，反應時間從 3 s 增加至 7 s。
圖2
實驗流程圖
Figure2.
Experimental flowchart
實驗中，一個 block 如圖 2 左下方所示。具體如下：① 開始電腦屏幕出現“靜息態”字樣，呈現提示語，然后呈現注視點“+”；② 屏幕隨機呈現兩幅圖片，受試者盡快作出判斷，最長時間為 15 000 ms，超時進入下一個判斷，受試者作出判斷后，屏幕呈現“+”，提示受試者開始下一個判斷。
該實驗分三個環節，第一個環節是三維心理旋轉任務的測試。前期預實驗發現測試任務難度較大，受試者測試后期專注力下降，因此測試分為 2 個 block，中間受試者可以休息，減少無效數據的產生；第二個環節是 tDCS 施加刺激，根據隨機選擇的刺激組別，受試者接受刺激 15 min；第三個環節與第一個環節相同，測試 2 個 block，整個實驗大約 1 h。整個實驗全程采集腦電信號。實驗流程圖如圖 2 所示。
1.2 方法
1.2.1 行為學數據統計
使用 python 中 PsychoPy3 工具包呈現刺激圖片，并同步記錄受試者的行為學數據，得到受試者的正確反應時、正確率，其中正確反應時是指受試者在呈現圖像到按鍵正確時的時間，正確率是指受試者正確反應次數與總實驗次數的比值。三維心理旋轉測試中，由于旋轉角度的不同，受試者進行判斷時所需時間也不同，這對評估心理旋轉能力偏差較大。為了減小這種偏差，根據速度-準確率權衡理論對正確反應時進行修正，選擇正確反應時與正確率之比作為其中一個績效指標，另一個績效指標選擇正確率。對于績效指標，使用 SPSS 25 軟件中 Shapiro-Wilk 法進行正態檢驗，滿足正態檢驗后，采用配對 t 檢驗對刺激前和刺激后績效指標進行統計分析。檢驗水準為 0.05。
1.2.2 腦電信號預處理和分析
腦電信號非常微弱，并且容易受到來自體外和體內的噪聲源干擾。體外干擾主要包括采集信號的放大器、顯示器等，采集時斷開充電電源可有效降低電磁干擾。體內干擾源主要是眼動、肌電活動、心臟跳動、呼吸等引起，其中眼動干擾影響較大，出現次數較頻繁，是體內主要的干擾源。
腦電信號的預處理過程使用 matlab 軟件的開源工具包 EEGLAB v14。首先導入實驗過程中采集到的原信號，進行重定位、重參考、移除眼電通道、0.3～50 Hz 濾波、降采樣為 200 Hz、獨立成分分析（independent component analysis，ICA）、移除眼動等成分、去基線分段等操作，選擇刺激圖片出現前 2 s 開始截取 2 min。其中，ICA 去除眼動干擾，其基本思想是假設腦電信號和眼電信號彼此獨立，并將原始數據投影到多個彼此獨立的特征空間，進而實現原始信號的特征分離，識別并去除眼動干擾后，逆向投影恢復原始數據[22]。
以往大腦信號的研究中，alpha 波是最早被發現并且也是最為常見的神經振蕩節律。目前，較為主流的觀點認為 alpha 波具有功能抑制的作用，alpha 波在無關腦區的能量增加可以抑制該腦區的認知活動強度，使得有限的認知資源可以被最有效地用于與任務相關的腦區上[23]。alpha 波也常被認為是大腦處于靜息態或者休息時的反應，與任務活動之間成負相關[24]。Li 等[25]前期在對學習過程中注意力和腦電信號 alpha 波的研究中發現，alpha 波的振幅和能量在注意力集中時波幅下降、能量減少，而注意力下降時能量增加。alpha 波在各認知能力中，根據任務執行難度的不同以及認知能力的變化，可以呈現不同的變化趨勢，可以很好地反映受試者的認知能力變化。因此，本文中采用 alpha 波來反映刺激前后受試者認知能力的變化。
2 結果
2.1 行為學績效分析
使用統計軟件 SPSS25.0 對行為學數據處理，得到電刺激前后受試者的正確反應時和正確率，對績效指標正確反應時/正確率和正確率統計分析，結果如圖 3 所示。
圖3
刺激前后績效指標結果變化（*P < 0.05，**P < 0.01）
Figure3.
Changes in performance index results before and after stimulation (*P < 0.05, **P < 0.01)
從圖中可以看到，無論陽極刺激還是陰極刺激，刺激后績效指標均比刺激前有所提升，但陽極刺激組績效指標變化較為明顯。對三種刺激條件下刺激前和刺激后指標進行統計學分析，陽極刺激組中正確反應時/正確率、正確率兩個績效指標差異有統計學意義，分別為：t[4] = 5.16，P = 0.00；t[4] = ? 5.60，P = 0.00。而陰極刺激和偽刺激組中績效指標差異沒有統計學意義。
2.2 腦電結果分析
2.2.1 激活腦區分析
功率譜分析是一種非常重要的頻譜分析方法，其中主要討論信號能量隨頻率變化的情況，可以直觀地分析討論不同狀態、不同頻率下腦電節律的分布與變化。為了探討心理旋轉能力的敏感腦區及其變化，分析了心理旋轉能力靜息態和任務態腦電信號的功率譜。靜息態和測試任務態的 alpha 波功率譜腦地形圖如圖 4 所示。從圖中可以看出，在靜息態時 alpha 波能量在頂葉、枕葉、額葉變化較大。為了明確心理旋轉能力的敏感腦區，對心理旋轉能力所有通道進行統計分析，檢驗水準為 0.05。成對比較后以 P 值為各通道的腦地形圖閾值，結果如圖 5 所示。圖中顏色為黃色時 P ≤ 0.05，紅色時 P > 0.05。統計結果發現，心理旋轉能力主要激活位點有：Fc1、Fc2、Fpz、F3、Fz、F4、C3、Cz、Cp1、Cp2、P3、Pz、P7、O1、O2 等，即主要為額葉、中央區、頂葉和枕葉。
圖4
靜息態和測試任務時腦地形圖
Figure4.
Brain topography during resting state and test task
圖5
差異 P 值腦地形圖
Figure5.
Significant P value brain topography
2.2.2 激活腦區 alpha 功率變化規律分析
為了考察電刺激后對心理旋轉能力的影響，分別對陽極刺激、陰極刺激和偽刺激三組受試者實驗腦電數據進行刺激前和刺激后的靜息態 alpha 波功率進行分析，結果如圖 6 所示。
圖6
三組不同刺激前后靜息態 alpha 波段變化腦地形圖
Figure6.
Brain topographic maps of changes in resting alpha band before and after three groups of different stimulations
從圖中可以看到，陽極刺激前和刺激后靜息態在頂葉和枕葉 alpha 波能量變化較明顯；陰極刺激前和刺激后靜息態 alpha 波主要在枕葉有變化；偽刺激前、后靜息態 alpha 波變化不明顯。為了明確腦區的變化情況，下面從刺激前后的靜息態對心理旋轉激活腦區的六個電極位置進行統計學分析，結果如圖 7 所示。
圖7
三組不同刺激前后 alpha 波段變化均值圖（* P < 0.05，** P < 0.01）
Figure7.
The average change of alpha band before and after three groups of different stimuli (* P < 0.05, ** P < 0.01)
三組不同刺激條件下，統計結果發現陽極刺激后 F3、F4、O2 通道 alpha 波功率的下降有統計學意義（P < 0.05）；陰極刺激和偽刺激組差異無統計學意義。陽極 alpha 波功率降低，表明刺激后額葉和枕葉皮層興奮度增加，大腦活躍度增加。
3 討論
本研究中健康受試者的行為學結果表明，相較于陰極刺激和偽刺激來說，經過 1 mA、15 min 的陽極刺激，受試者的心理旋轉測試中反應時間顯著減少，正確率顯著提高，并且差異有統計學意義（P < 0.01）。這表明經過陽極刺激后，受試者心理旋轉能力的反應能力以及判斷能力均有提高。
對于心理旋轉測試范式而言，有文獻報道電刺激后測試任務的績效指標反應時間有顯著變化，而正確率無變化，可能是文中測試素材相對簡單，受試者的正確率績效水平達到天花板效應；也有文章報道測試任務的績效指標正確率差異有統計學意義，而反應時間無變化；還有文章報道正確率和反應時間兩種績效指標都有顯著變化。因此，本文為了減少績效指標出現天花板效應，重新設計了刺激素材，增加素材的扭轉角度，經過預實驗發現，受試者的正確率和反應時間均較之前的測試任務績效水平下降。這表明經過重新設計的心理旋轉素材減少了天花板效應，可以更好地體現刺激的效果。
對于刺激腦區而言，現有文獻報道心理旋轉能力的激活腦區有所不同，可能是由于刺激素材、個體差異等原因[26]，不同研究腦區位置不明確[27]。因此，本文首先針對心理旋轉的激活腦區進行分析，分析靜息態和任務態 alpha 波功率，結果發現三維心理旋轉任務過程中，額葉、中央區、頂葉和枕葉都有顯著激活，進而針對激活腦區分析心理旋轉能力在刺激前后腦區的變化。
tDCS 陽極刺激被認為是激活大腦皮層神經元使大腦皮層更加興奮，陰極是抑制大腦皮層神經元使大腦皮層興奮度下降[28-29]。最近文章指出，陽極 tDCS 刺激降低了 alpha 波功率[30-31]。本文中，陽極刺激組靜息態數據發現 alpha 波功率明顯降低并有統計學意義，主要表現為以 F3、F4 為代表的額葉和以 O2 為代表的枕葉，而這兩個腦區是心理旋轉的激活腦區，這表明陽極刺激后皮層興奮性增加，表現為任務績效的提升。
經過陽極、陰極刺激和偽刺激的對照實驗，發現陽極刺激可以提升績效水平，alpha 波能量減少，其陽極施加位點為右側頂葉 P4，也說明了右半球對于心理旋轉能力起主要作用；而陰極刺激的陽極施加位點為左側 P3，從而對績效無影響，alpha 波能量增加，使大腦皮層興奮性下降。也即是陽極刺激右側對心理旋轉能力有提升作用，陽極刺激左側有抑制作用，從而表明了心理旋轉的右半球優勢。
4 結論
本實驗通過采集健康受試者執行心理旋轉能力時的行為學數據，以及在三種刺激條件下刺激前后的靜息態腦電數據，對行為學數據和腦電數據進行分析。首先分析行為學數據，發現陽極刺激組受試者的心理旋轉測試績效水平顯著提高；腦電數據 alpha 波功率譜分析，受試者執行心理旋轉任務時，主要激活腦區有額葉、中央區、頂葉和枕葉，并且發現陽極刺激組額葉和右側枕葉有顯著差異。這些結果表明陽極刺激可以提升受試者的心理旋轉能力。
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
引言
經顱直流電刺激（transcranial direct current stimulation，tDCS）是一種使用非侵入性弱電流調節細胞膜電位和受刺激神經元之間的突觸強度，從而產生認知效應的腦刺激技術[1]。一般認為陽極刺激降低神經元的激活閾值使神經元去極化，從而增加皮質興奮性；而陰極刺激增加神經元的激活閾值使神經元超極化，從而降低皮質興奮性[2]。一項系統性研究表明，tDCS 是提高腦卒中患者的自適應可塑性的有效途徑，并在運動前和運動后康復有顯著作用[3]。因此，研究認為 tDCS 的長期作用可能與神經可塑性調節中的長時增強或抑制具有共同的特征[4]。最近一項研究表明，不同刺激參數的 tDCS 對初級運動皮層的神經可塑性的增加不同[5]。此外，tDCS 刺激還可以促進多個基本認知能力變化，包括學習、注意力、感知、短時記憶、判斷決策等[6]。然而，盡管有可信的認知增強證據，但觀察到的效應變化差異依然很大，即使應用于同一大腦區域也是如此[7]。相關因素可能包括認知過程的復雜性、刺激持續時間和電流密度、個體解剖學差異、潛在任務相關的活動以及當前極性對特定皮層區域的影響。
心理旋轉（mental rotation，MR）是指人們將自己或者客觀物體的表象在自己大腦中進行二維或三維旋轉的心理加工過程。該概念是由 Shepard 等[8]在 1971 年首次提出的，其判斷同時呈現的物體旋轉后是否相同。心理旋轉作為空間認知能力的一個核心要素，是衡量個體空間能力的重要標準之一。心理旋轉中最為人們關注的是刺激素材，根據刺激素材的不同將其分為主體和客體、二維和三維等；根據呈現的方式不同將其分為同時呈現和單個呈現。其中客體是指以物體為參照，如圖形、字母和數字等[9]；而主體是以自我為參照，如肢體或者手部等[10]。現有研究針對心理旋轉的激活腦區是否有半球優勢，還一直存在爭議。大量研究發現心理旋轉能力起主要作用的腦區是頂葉、枕葉和額葉。隨著研究的深入，一些研究發現心理旋轉能力有右半球優勢，但也有相反的結論，認為是左半球優勢。Pegna 等[11]發現在旋轉圖片過程中，激活較多的是右側頂-枕葉皮層。Papanicolaou 等[12]研究旋轉立體圖形時誘發電位發現左右半球有明顯的不同，在右頂葉中腦電位明顯高于左頂葉。Mehta 等[13]研究了腦損傷患者的心理旋轉能力，發現左半球損傷患者績效結果明顯降低，表明心理旋轉能力是左半球優勢。Lamm 等[14]將立體圖形旋轉分為編碼、旋轉以及匹配三個過程，發現上頂葉在旋轉過程中被顯著激活。Yu 等[15]通過事件相關電位和事件相關同步測量心理旋轉能力，發現進行三維立體旋轉時，內側頂葉有更高的激活。綜上，通過總結以及前期實驗，本研究選擇刺激腦區為頂葉，并通過設置陽極刺激和陰極刺激來確定激活腦區是左半球還是右半球。
在電刺激對心理旋轉的研究中，劉曄[16]使用交流電刺激發現，alpha 和 beta 節律交流電刺激可以提高心理旋轉測試的反應時間績效指標，但對正確率指標沒有影響，可能由于測試任務較為簡單。隨后石靜[17]研究了交流電和直流電對心理旋轉的影響，發現直流電刺激效果更佳。Kikuchi 等[18]研究了直流電刺激患者和健康人刺激枕-顳區心理旋轉能力的變化。對于心理旋轉能力的電刺激研究，刺激腦區、測試范式等的不同，對結果的影響有很大差異。
隨著航天在軌時間的延長、操作任務復雜性的增加以及航天特因環境，航天員的認知能力會有所下降，如在失重條件下，人體的定向能力、協調能力和運動系統等都會下降。田雨等[19]進行二維心理旋轉、三維心理旋轉與手控交會對接任務的關聯分析，發現受試者在三維心理旋轉情況下績效指標與手控交會對接任務績效顯著相關。由此可見，研究 tDCS 對心理旋轉能力的影響，對維持典型航天任務績效水平具有積極作用。然而，基于 tDCS 的心理旋轉能力的影響還不確定，心理旋轉能力的激活腦區，大多數研究發現有額葉、顳葉、頂葉和枕葉。在半球優勢方面，有研究呈現右半球優勢，有研究則沒有發現半球優勢。在劉曄[16]的研究中，績效結果沒有變化，可能由于在測試前，績效指標已經達到天花板效應。本研究首先對刺激素材進行完善、增加難度，盡量減小天花板效應，最后設置不同刺激的電極位置，來研究 tDCS 對心理旋轉能力的影響。
1 材料和方法
1.1 材料
1.1.1 實驗設備
實驗設備中電刺激儀是德國 Neuroconn 公司研發的 DC-STIMULATOR MC，是經過歐洲 CE 認證的醫療設備，是一款多功能經顱直流電刺激器，支持 tDCS 和經顱交流電刺激（transcranial alternating current stimulation，tACS）等多種電刺激方式。電流設置 0～4 mA。
腦電設備選擇原產地荷蘭的 Eegosports 64 通道無線腦電肌電系統的設備，該設備最多 64 通道，也可以配置成為 32 通道。本實驗中，根據國際腦電圖學會制定的 10-20 電極導聯定位標準，采集 32 導聯腦電信號。實驗中采樣頻率 500 Hz，電極與頭皮之間的阻抗保持在 5 kΩ 以下，其中耳根處 M1、M2 為參考電極位置。
1.1.2 實驗對象
本實驗招募 15 名健康受試者，全部為男生，隨機等分為三組，即每組 5 人。年齡在 23～30 歲，均未接受過電刺激實驗，均為右利手，視力矯正到正常水平，實驗過程中精神狀態良好。實驗環境安靜無打擾，實驗前所有受試者均進行相同的培訓，并簽署知情同意書后，選擇自愿參加實驗，實驗結束后給予一定的報酬。該實驗已通過人因工程重點實驗室的醫學倫理委員會批準。
1.1.3 tDCS 參數選擇
tDCS 刺激參數主要涉及電流大小（0.5～2 mA）、刺激時長（5～30 min），以及刺激腦區[20-21]。結合安全方面和文獻方面的依據，本次實驗選擇電流大小 1 mA、刺激時長 15 min。對于腦區的選擇，目前存在爭議，因此本文針對不同電極極性、腦區激活優勢半球的不同設置對照組。定義陽極刺激組為：陽極放置右頂葉 P4 位置，陰極放置左側頂葉 P3 位置；陰極刺激組為：陰極放置右側頂葉 P4 位置，陽極放置左側頂葉 P3 位置；對照組偽刺激電流設置為 0 mA。刺激時長為 15 min，電流大小為 1 mA，刺激開始和結束有 30 s 的線性上升電流和線性下降電流。其中，為了避免受試者覺察到偽刺激，偽刺激中有 2 min 的 1 mA 刺激電流。如圖 1 所示為電流刺激波形圖。
圖1
真/偽刺激電流波形示意圖
Figure1.
Schematic diagram of real/sham stimulation current waveform
1.1.4 心理旋轉實驗流程
前文指出，刺激素材太簡單，受試者績效水平普遍較高，不便于體現 tDCS 物理刺激的效果，因此本研究對三維立體圖形素材增加難度。研究表明，棱角、方向、旋轉角度等的不同，心理旋轉的難度會增加。本研究，通過 3D Max 重新建模，增加旋轉的角度和旋轉軸，使任務難度增加。設計刺激素材分為 4 組類型，如圖 2 右下方所示。經過刪減一些無法分辨方向的素材，最后保留 356 張刺激素材。經過實驗前測試發現，難度確實增加，正確率由原來的平均 87% 降低至 70%，反應時間從 3 s 增加至 7 s。
圖2
實驗流程圖
Figure2.
Experimental flowchart
實驗中，一個 block 如圖 2 左下方所示。具體如下：① 開始電腦屏幕出現“靜息態”字樣，呈現提示語，然后呈現注視點“+”；② 屏幕隨機呈現兩幅圖片，受試者盡快作出判斷，最長時間為 15 000 ms，超時進入下一個判斷，受試者作出判斷后，屏幕呈現“+”，提示受試者開始下一個判斷。
該實驗分三個環節，第一個環節是三維心理旋轉任務的測試。前期預實驗發現測試任務難度較大，受試者測試后期專注力下降，因此測試分為 2 個 block，中間受試者可以休息，減少無效數據的產生；第二個環節是 tDCS 施加刺激，根據隨機選擇的刺激組別，受試者接受刺激 15 min；第三個環節與第一個環節相同，測試 2 個 block，整個實驗大約 1 h。整個實驗全程采集腦電信號。實驗流程圖如圖 2 所示。
1.2 方法
1.2.1 行為學數據統計
使用 python 中 PsychoPy3 工具包呈現刺激圖片，并同步記錄受試者的行為學數據，得到受試者的正確反應時、正確率，其中正確反應時是指受試者在呈現圖像到按鍵正確時的時間，正確率是指受試者正確反應次數與總實驗次數的比值。三維心理旋轉測試中，由于旋轉角度的不同，受試者進行判斷時所需時間也不同，這對評估心理旋轉能力偏差較大。為了減小這種偏差，根據速度-準確率權衡理論對正確反應時進行修正，選擇正確反應時與正確率之比作為其中一個績效指標，另一個績效指標選擇正確率。對于績效指標，使用 SPSS 25 軟件中 Shapiro-Wilk 法進行正態檢驗，滿足正態檢驗后，采用配對 t 檢驗對刺激前和刺激后績效指標進行統計分析。檢驗水準為 0.05。
1.2.2 腦電信號預處理和分析
腦電信號非常微弱，并且容易受到來自體外和體內的噪聲源干擾。體外干擾主要包括采集信號的放大器、顯示器等，采集時斷開充電電源可有效降低電磁干擾。體內干擾源主要是眼動、肌電活動、心臟跳動、呼吸等引起，其中眼動干擾影響較大，出現次數較頻繁，是體內主要的干擾源。
腦電信號的預處理過程使用 matlab 軟件的開源工具包 EEGLAB v14。首先導入實驗過程中采集到的原信號，進行重定位、重參考、移除眼電通道、0.3～50 Hz 濾波、降采樣為 200 Hz、獨立成分分析（independent component analysis，ICA）、移除眼動等成分、去基線分段等操作，選擇刺激圖片出現前 2 s 開始截取 2 min。其中，ICA 去除眼動干擾，其基本思想是假設腦電信號和眼電信號彼此獨立，并將原始數據投影到多個彼此獨立的特征空間，進而實現原始信號的特征分離，識別并去除眼動干擾后，逆向投影恢復原始數據[22]。
以往大腦信號的研究中，alpha 波是最早被發現并且也是最為常見的神經振蕩節律。目前，較為主流的觀點認為 alpha 波具有功能抑制的作用，alpha 波在無關腦區的能量增加可以抑制該腦區的認知活動強度，使得有限的認知資源可以被最有效地用于與任務相關的腦區上[23]。alpha 波也常被認為是大腦處于靜息態或者休息時的反應，與任務活動之間成負相關[24]。Li 等[25]前期在對學習過程中注意力和腦電信號 alpha 波的研究中發現，alpha 波的振幅和能量在注意力集中時波幅下降、能量減少，而注意力下降時能量增加。alpha 波在各認知能力中，根據任務執行難度的不同以及認知能力的變化，可以呈現不同的變化趨勢，可以很好地反映受試者的認知能力變化。因此，本文中采用 alpha 波來反映刺激前后受試者認知能力的變化。
2 結果
2.1 行為學績效分析
使用統計軟件 SPSS25.0 對行為學數據處理，得到電刺激前后受試者的正確反應時和正確率，對績效指標正確反應時/正確率和正確率統計分析，結果如圖 3 所示。
圖3
刺激前后績效指標結果變化（*P < 0.05，**P < 0.01）
Figure3.
Changes in performance index results before and after stimulation (*P < 0.05, **P < 0.01)
從圖中可以看到，無論陽極刺激還是陰極刺激，刺激后績效指標均比刺激前有所提升，但陽極刺激組績效指標變化較為明顯。對三種刺激條件下刺激前和刺激后指標進行統計學分析，陽極刺激組中正確反應時/正確率、正確率兩個績效指標差異有統計學意義，分別為：t[4] = 5.16，P = 0.00；t[4] = ? 5.60，P = 0.00。而陰極刺激和偽刺激組中績效指標差異沒有統計學意義。
2.2 腦電結果分析
2.2.1 激活腦區分析
功率譜分析是一種非常重要的頻譜分析方法，其中主要討論信號能量隨頻率變化的情況，可以直觀地分析討論不同狀態、不同頻率下腦電節律的分布與變化。為了探討心理旋轉能力的敏感腦區及其變化，分析了心理旋轉能力靜息態和任務態腦電信號的功率譜。靜息態和測試任務態的 alpha 波功率譜腦地形圖如圖 4 所示。從圖中可以看出，在靜息態時 alpha 波能量在頂葉、枕葉、額葉變化較大。為了明確心理旋轉能力的敏感腦區，對心理旋轉能力所有通道進行統計分析，檢驗水準為 0.05。成對比較后以 P 值為各通道的腦地形圖閾值，結果如圖 5 所示。圖中顏色為黃色時 P ≤ 0.05，紅色時 P > 0.05。統計結果發現，心理旋轉能力主要激活位點有：Fc1、Fc2、Fpz、F3、Fz、F4、C3、Cz、Cp1、Cp2、P3、Pz、P7、O1、O2 等，即主要為額葉、中央區、頂葉和枕葉。
圖4
靜息態和測試任務時腦地形圖
Figure4.
Brain topography during resting state and test task
圖5
差異 P 值腦地形圖
Figure5.
Significant P value brain topography
2.2.2 激活腦區 alpha 功率變化規律分析
為了考察電刺激后對心理旋轉能力的影響，分別對陽極刺激、陰極刺激和偽刺激三組受試者實驗腦電數據進行刺激前和刺激后的靜息態 alpha 波功率進行分析，結果如圖 6 所示。
圖6
三組不同刺激前后靜息態 alpha 波段變化腦地形圖
Figure6.
Brain topographic maps of changes in resting alpha band before and after three groups of different stimulations
從圖中可以看到，陽極刺激前和刺激后靜息態在頂葉和枕葉 alpha 波能量變化較明顯；陰極刺激前和刺激后靜息態 alpha 波主要在枕葉有變化；偽刺激前、后靜息態 alpha 波變化不明顯。為了明確腦區的變化情況，下面從刺激前后的靜息態對心理旋轉激活腦區的六個電極位置進行統計學分析，結果如圖 7 所示。
圖7
三組不同刺激前后 alpha 波段變化均值圖（* P < 0.05，** P < 0.01）
Figure7.
The average change of alpha band before and after three groups of different stimuli (* P < 0.05, ** P < 0.01)
三組不同刺激條件下，統計結果發現陽極刺激后 F3、F4、O2 通道 alpha 波功率的下降有統計學意義（P < 0.05）；陰極刺激和偽刺激組差異無統計學意義。陽極 alpha 波功率降低，表明刺激后額葉和枕葉皮層興奮度增加，大腦活躍度增加。
3 討論
本研究中健康受試者的行為學結果表明，相較于陰極刺激和偽刺激來說，經過 1 mA、15 min 的陽極刺激，受試者的心理旋轉測試中反應時間顯著減少，正確率顯著提高，并且差異有統計學意義（P < 0.01）。這表明經過陽極刺激后，受試者心理旋轉能力的反應能力以及判斷能力均有提高。
對于心理旋轉測試范式而言，有文獻報道電刺激后測試任務的績效指標反應時間有顯著變化，而正確率無變化，可能是文中測試素材相對簡單，受試者的正確率績效水平達到天花板效應；也有文章報道測試任務的績效指標正確率差異有統計學意義，而反應時間無變化；還有文章報道正確率和反應時間兩種績效指標都有顯著變化。因此，本文為了減少績效指標出現天花板效應，重新設計了刺激素材，增加素材的扭轉角度，經過預實驗發現，受試者的正確率和反應時間均較之前的測試任務績效水平下降。這表明經過重新設計的心理旋轉素材減少了天花板效應，可以更好地體現刺激的效果。
對于刺激腦區而言，現有文獻報道心理旋轉能力的激活腦區有所不同，可能是由于刺激素材、個體差異等原因[26]，不同研究腦區位置不明確[27]。因此，本文首先針對心理旋轉的激活腦區進行分析，分析靜息態和任務態 alpha 波功率，結果發現三維心理旋轉任務過程中，額葉、中央區、頂葉和枕葉都有顯著激活，進而針對激活腦區分析心理旋轉能力在刺激前后腦區的變化。
tDCS 陽極刺激被認為是激活大腦皮層神經元使大腦皮層更加興奮，陰極是抑制大腦皮層神經元使大腦皮層興奮度下降[28-29]。最近文章指出，陽極 tDCS 刺激降低了 alpha 波功率[30-31]。本文中，陽極刺激組靜息態數據發現 alpha 波功率明顯降低并有統計學意義，主要表現為以 F3、F4 為代表的額葉和以 O2 為代表的枕葉，而這兩個腦區是心理旋轉的激活腦區，這表明陽極刺激后皮層興奮性增加，表現為任務績效的提升。
經過陽極、陰極刺激和偽刺激的對照實驗，發現陽極刺激可以提升績效水平，alpha 波能量減少，其陽極施加位點為右側頂葉 P4，也說明了右半球對于心理旋轉能力起主要作用；而陰極刺激的陽極施加位點為左側 P3，從而對績效無影響，alpha 波能量增加，使大腦皮層興奮性下降。也即是陽極刺激右側對心理旋轉能力有提升作用，陽極刺激左側有抑制作用，從而表明了心理旋轉的右半球優勢。
4 結論
本實驗通過采集健康受試者執行心理旋轉能力時的行為學數據，以及在三種刺激條件下刺激前后的靜息態腦電數據，對行為學數據和腦電數據進行分析。首先分析行為學數據，發現陽極刺激組受試者的心理旋轉測試績效水平顯著提高；腦電數據 alpha 波功率譜分析，受試者執行心理旋轉任務時，主要激活腦區有額葉、中央區、頂葉和枕葉，并且發現陽極刺激組額葉和右側枕葉有顯著差異。這些結果表明陽極刺激可以提升受試者的心理旋轉能力。
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
