多靶區經顱直流電刺激對健康成年人工作記憶-姿勢控制雙任務表現的影響

周治寧，周容，肖燕文,2，王博文，呂嬌嬌，劉宇

1.上海體育大學運動健身科技省部共建教育部重點實驗室，上海市 200438；2.中山大學孫逸仙紀念醫院深汕中心醫院，廣東汕尾市516600

0 引言

工作記憶是人們在短時間對所獲得的信息進行維持并加工處理的能力[1]，在數學計算、閱讀和學習等認知活動中發揮重要作用[2‐3]。在日常生活中，這些認知活動常與站立或者行走等姿勢控制任務同時發生，即工作記憶‐姿勢控制雙任務模式[4‐5]。根據資源共享理論，雙任務狀態下的兩個任務會競爭有限的大腦資源，導致大腦負擔增加從而降低任務表現[6]。因此，針對性調控或干預工作記憶‐姿勢控制雙任務能力，對于促進復雜運動控制和預防跌倒具有積極影響。神經影像學研究發現，在執行雙任務過程中，大量與認知和感覺運動相關的腦區廣泛激活[7]，尤其是背外側前額葉(dorsal lateral prefrontal cortex,DLPFC)和初級運動皮質(primary motor cortex,M1)[8‐9]。因此，通過調控DLPFC 和M1 等大腦皮質的興奮性，可能有助于緩解大腦皮質的認知資源負擔，進而提升雙任務姿勢控制能力。

經顱直流電刺激(transcranial direct current stimula‐tion,tDCS)是一種通過微弱的直流電來調控大腦皮質興奮性的非侵入性大腦刺激技術[10]。有研究表明，作用于DLPFC 的tDCS 可以有效提高健康成年人和老年人的認知‐姿勢控制雙任務能力[11‐13]。但是這些研究僅調控單個腦區，而雙任務依賴于多個腦區的協同作用[14‐15]，所以單靶區tDCS 可能并不是調控認知‐姿勢控制雙任務的最佳方式。

本研究旨在探究多靶區tDCS 方案(同時刺激左側DLPFC 和M1)和單靶區tDCS 方案(僅刺激左側DLP‐FC)對健康年輕人工作記憶‐姿勢控制雙任務的調控效果，探究多靶區tDCS 是否表現出優于單靶區tDCS 的調控效應。

1 資料與方法

1.1 一般資料

2020 年11 月至2021 年2 月，選取上海體育大學就讀的19 例健康年輕人，其中男性9 例，女性10 例；年齡(24.63±1.77)歲；身高(1.68±0.10) m，體質量(60.84±10.45) kg，體質量指數(21.49±1.84) kg/m2。

納入標準：①年齡18～28 歲；②右利手；③運動與認知功能均正常。

排除標準：①患有心理或生理方面的疾病且影響步行、站立以及基本生活能力；②近期使用精神類藥物；③對酒精和導電膏過敏；④近3 個月有過下肢損傷史；⑤測試前24 h內進行過劇烈體力活動。

剔除與脫落標準：①依從性差；②未能完成試驗；③出現嚴重不良反應。

本研究已通過上海體育大學倫理委員會批準(No.102772020RT109)。所有受試者在試驗開始前了解實驗內容和流程，并簽署知情同意書。

1.2 試驗流程

本研究為隨機、雙盲、交叉實驗設計。受試者共需完成4 次測試。第1 次測試內容包括了解整個實驗、采集受試者基本信息以及熟悉測試任務。從第2 次測試開始，受試者隨機接受3 種刺激方案(多靶區tDCS，單靶區tDCS 和假刺激)，隨機方法為拉丁方隨機設計。受試者需要在刺激前后完成工作記憶和姿勢控制測試，其中姿勢控制測試包括單任務和雙任務步行，單任務和雙任務站立平衡測試。第2～4 次測試中除刺激方案不同，其他步驟均相同，兩次測試之間至少間隔1周。

1.3 tDCS刺激方案

本研究共包括3種刺激方式：多靶區tDCS，單靶區tDCS 和假刺激。采用DC‐STⅠMULATOR MC (德國NEORUCONN公司)進行tDCS刺激，刺激電極基于國際10‐20 系統放置。采用高精度tDCS 的刺激方案，通過Starstim 電場模擬軟件(西班牙NEUROELECTRⅠCS公司)進行模擬來確定刺激位置和刺激強度。除假刺激外，目標區域的電場強度設定為0.25 V/m。

多靶區tDCS：目標腦區為左側DLPFC 和雙側M1，共8 個電極(C3: 421 μA;C4: 1572 μA;CP6:-1222 μA;F3: 939 μA;FC2: -1440 μA;P3: -557 μA;T7: -779 μA;Cz: 1066 μA)，單個電極最大電流不超過2 mA，總電流強度不超過4 mA，總時長20 min(圖1A)。

圖1 多靶區tDCS和單靶區tDCS方案電場模擬和電極位置圖Figure 1 Electric field simulation and electrode position of multi-target and single-target tDCS

單靶區tDCS：目標腦區為左側DLPFC，共5 個電極(AF3: 805 μA;FC1: 817 μA;FPZ: -567 μA;T7:-475 μA;Cz: -580 μA)，單個電極最大電流不超過1 mA，總電流強度不超過2 mA，總時長20 min(圖1B)。

假刺激：電極位置與多靶區tDCS 保持一致，最大電流強度為0.1 mA，總時長20 min，但僅在開始30 s 和最后30 s 輸入電流，以模擬真刺激時的皮膚感覺。

1.4 工作記憶‐姿勢控制雙任務測試

1.4.1 工作記憶任務

有研究認為，步行和站立平衡等姿勢控制過程對空間處理能力要求較高，因此具有空間處理要求的認知任務可能會產生更大的雙任務干擾[16]，所以本研究選擇空間2‐back 工作記憶任務。任務程序通過MAT‐LAB軟件進行編寫，通過筆記本電腦投屏至受試者所持手機上。在手機屏幕的左右兩側留有空白區域，分別對應鼠標的左鍵和右鍵。受試者需要根據要求用雙手拇指分別點擊手機屏幕的左右側空白區域來對所呈現刺激做出反應。

開始測試后，受試者根據任務提示執行任務，全程屏幕中心會出現“+”，刺激為白色實心圓，呈現位置共8個，具體為圍繞“+”的3×3九宮格的任意位置(圖2)。2‐back任務要求受試者比較其當前所見刺激是否與往前數第2 個刺激位置相同，相同則點擊左側空白區域，不相同則點擊右側空白區域。一組任務包括60 個試次，目標刺激出現頻率為50%，總時長為2 min。工作記憶任務指標包括：反應時(reaction time,RT)、準確率(accuracy,ACC)和逆效率得分(in‐verse efficiency score,ⅠES)。其中，ⅠES=RT/ACC，得分越低表示能夠快速而準確地完成任務。

圖2 工作記憶任務Figure 2 Work memory task

1.4.2 雙任務步行測試

步行測試采用ProtoKinetics ZenoWalkway 系統(美國ZENOMETRⅠCS 公司)，包括電子步道和步態數據采集分析軟件，采樣頻率120 Hz，長16英尺(約5 m)。受試者共需進行3 組步行測試，每組設置兩種條件：單任務和雙任務步行任務。測試時，受試者站在距離電子步道4 m 處，聽到指令后向步道行走，走出步道后在4 m外的轉身標志處轉身返回，并再次走過步道，循環走動60 s。單任務狀態下受試者按照自己舒適的速度行走即可；雙任務步態需要雙手橫持手機，行走的同時執行工作記憶任務。取3 組平均值作為步態測試結果，包括單、雙任務條件下的步幅、步速、步幅變異性和步速變異性，以及各指標雙任務消耗(dual task cost,DTC)，DTC以“指標_DTC”的形式表示。

1.4.3 雙任務站立平衡測試

站立平衡測試使用測力臺(瑞士KⅠSTLER 公司)完成，采樣頻率1 000 Hz。測試時，受試者脫鞋后雙腳前后呈“1”字縱向站立于測力臺上[17‐18]，單任務條件下要求受試者雙手橫持手機但不執行任何認知任務；雙任務條件下要求受試者站立同時執行認知任務，每種任務條件采集兩次，每次采集時長為60 s。通過采集壓力中心(center of pressure,COP)計算壓心擺動速度(Vcop)、壓心擺動面積(Acop)及其DTC。

1.5 統計學分析

采用SPSS 26.0 進行統計學分析。通過Shapiro‐Wilk檢驗來驗證計量資料是否符合正態分布，符合正態分布以()表示。通過單因素方差分析比較3 種刺激(多靶區tDCS、單靶區tDCS 和假刺激)前后各指標改變值(即差值)的變化；若3 種刺激之間存在顯著性差異，則使用簡單效應分析進行事后檢驗。采用Cohen'sd表示各參數改變的效應量。顯著性水平α=0.05。

2 結果

2.1 步行

刺激后，3 種刺激間步幅變異性及其DTC 的改變值具有顯著性差異(P＜0.05)。與假刺激相比，多靶區tDCS 刺激后步幅變異性降低(P＜ 0.05)，步幅變異性_DTC降低趨于顯著(P=0.073)；單靶區tDCS 刺激后步幅變異性和步幅變異性_DTC均降低(P＜0.05)。見表1。

表1 3種tDCS刺激方案對雙任務步行各指標改變值的影響Table 1 The changes of indexes under dual-task walking among three stimulations

2.2 站立平衡

刺激后，3 種刺激間Vcop 的改變值有顯著性差異(P＜ 0.05)。與假刺激相比，多靶區tDCS 和單靶區tDCS 刺激后Vcop 降低(P＜0.05)。與單靶區tDCS 相比，多靶區tDCS 刺激后Acop_DTC降低(P＜0.05)。見表2。

表2 3種tDCS刺激方案對雙任務站立平衡各指標改變值的影響Table 2 The changes of indexes under dual-task standing balance among three stimulations

2.3 工作記憶

刺激后，3 種刺激間工作記憶任務的準確率、反應時 和ⅠES 改變值均無顯著性差異(P＞ 0.05)。見表3。

表3 3種tDCS刺激方案對工作記憶各指標改變值的影響Table 3 The changes of working memory indexes among three stimulations

3 討論

本研究評估了多靶區tDCS 方案(左側DLPFC +M1 tDCS)和單靶區tDCS 方案(左側DLPFC tDCS)對健康年輕人工作記憶‐姿勢控制雙任務的調控效果，并探究多靶區tDCS 的調控優勢。結果顯示，與假刺激相比，多靶區tDCS 和單靶區tDCS 刺激可有效調控雙任務姿勢控制過程中的步幅變異性、步幅變異性_DTC和壓心擺動速度(Vcop)，兩種刺激方案均可作為調控年輕人工作記憶‐姿勢控制雙任務的有效手段。在站立平衡任務中，多靶區tDCS 與單靶區tDCS 相比顯著降低了Acop的DTC(Acop_DTC)，這提示多靶區tDCS對站立姿勢控制雙任務具有一定調控優勢。

本研究所使用的多靶區和單靶區tDCS 方案均靶向性調控了左側DLPFC。DLPFC 不僅與工作記憶、執行功能等認知過程有關[19‐20]，還與步態、平衡等姿勢控制功能的自上而下的中樞調控有關[21‐22]。Zhou等[11]發現，通過tDCS 調控左側DLPFC 興奮性的刺激方案，能夠改善雙任務姿勢控制，降低DTC。DTC反映受試者執行雙任務時的注意資源消耗增加[23]，并且較高的DTC 往往預示著較高的跌倒風險[24‐25]。在本研究中，我們同樣發現左側DLPFC tDCS 可顯著降低雙任務條件下步幅變異性及其DTC。相比步幅和步速等時空參數，步態變異性描述了在行走過程中步與步之間的變化，可反映步態穩定性及各種原因導致的潛在步態改變[24,26]。如老年受試者雙任務期間的步態變異性與未來的跌倒有關，但步速并未觀察到相關性[27]。步態變異性還與執行功能效率高低顯著相關，可反映中樞神經系統對步行表現的調控功能[28]。因此，左側DLPFC tDCS 是一種有效調控雙任務姿勢控制、降低跌倒風險的非侵入性腦刺激手段。

考慮到復雜條件下的姿勢控制多依賴多腦區或腦網絡之間的相互作用[29]，本研究增加同時調控左側DLPFC 和雙側初級運動皮質的多靶區tDCS 方案(左側DLPFC+M1 tDCS)。結果發現左側DLPFC+M1 tDCS不僅顯著降低雙任務步幅變異性，還可顯著降低雙任務站立平衡過程中壓心擺動面積的DTC，提示多靶區tDCS 調控效果可能優于單靶區tDCS。然而，多靶區tDCS 的調控優勢尚未獲得一致結論。如Dagan等[30]同時調節左側DLPFC 和M1 的皮質興奮性，結果發現多靶區tDCS 對帕金森患者凍結步態的改善效果優于單靶區tDCS；但是，Zhou 等[31]的研究中將目標腦區鎖定左側DLPFC 和初級感覺運動皮質(SM1)，探究其對老年人步行和站立平衡雙任務表現的影響，結果并未發現多靶區tDCS 調控雙任務姿勢控制表現的特殊優勢。盡管左側DLPFC+SM1 tDCS 調控效果優于單靶區SM1 tDCS，但并不優于左側DLPFC tDCS 方案。結合本研究結果，推測其可能是控制步行和站立平衡的中樞調控機制不同導致的。

目前越來越多的研究不再局限于研究單一腦區的調控機制，而是深入探究不同大腦網絡在姿勢控制中的重要作用。有研究發現，步行表現與默認模式網絡、背側注意力網絡、額頂網絡等腦網絡之間相互作用有關，涉及更為復雜的中樞調控機制[32]。本研究沒有發現多靶區tDCS 調控雙任務步行表現優于單靶區tDCS 調控效果，其可能原因是我們所使用的兩個刺激方案僅刺激步行控制相關的額頂網絡中的一個重要腦區——DLPFC[33]，沒有額外地調控到網絡內其他的腦區，如頂葉皮質區域，未來研究可以進一步優化刺激方案、對步行相關腦網絡進行更有針對性的調控[34]。此外，我們還發現左側DLPFC+M1 tDCS 具有更優的站立平衡姿勢調控效果，提示除認知控制中樞外，運動皮質在站立平衡姿勢控制中也發揮重要作用，前額葉‐運動皮質之間網絡聯系可能是雙任務站立平衡任務的重要中樞機制[35]。

本研究并未發現tDCS 對工作記憶任務表現具有顯著改善作用，這與前人研究有所不同[36‐37]。其可能原因是即使在雙任務條件下，空間2‐back 工作記憶任務對年輕人來說仍相對簡單，在tDCS 干預前受試者的任務表現已達到較好水平(例如準確率均在83.5%以上)，存在天花板效應。

本研究僅從行為學角度評估不同tDCS 方案的干預效果，未涉及靶向腦區所對應的大腦皮質活動變化，未來研究需要通過神經影像學等技術來進一步探究tDCS 調控工作記憶‐姿勢控制雙任務表現的可能機制；對于所有受試者給予相同刺激方案，沒有考慮個體腦部結構的差異，未來可考慮基于個體的大腦結構和雙任務姿勢控制相關腦網絡特征進行個性化方案的優化；受試者為健康年輕人，仍需進一步驗證多靶區tDCS 方案在老年人群或神經退行性疾病患者(如帕金森病、認知障礙或阿爾茨海默病等)中的干預效果。

4 結論

多靶區tDCS 和單靶區tDCS 均可顯著調控健康成年人的工作記憶‐姿勢控制雙任務表現，并且與單靶區tDCS 相比，多靶區tDCS 在調控站立平衡雙任務姿勢控制效果上具有一定優勢。本研究補充了經顱電刺激在工作記憶‐姿勢控制雙任務領域的研究證據，未來仍需進一步探索多靶區tDCS 調控大腦活動改善雙任務表現的神經機制，促進該技術的個性化應用。

利益沖突聲明：所有作者聲明不存在利益沖突。