【背景分析】

自2000年起，通過(guò)微弱電流刺激大腦特殊部位，以達(dá)到改善認(rèn)知、增強(qiáng)記憶的研究，逐步興起。經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，已經(jīng)形成了以經(jīng)顱直流電干預(yù)(tDCS)、經(jīng)顱交流電刺干預(yù)(tACS)、隨機(jī)噪聲干預(yù)(tRNS)、脈沖電流干預(yù)和慢振蕩干預(yù)等多種技術(shù)模式。

其中，應(yīng)用最為廣泛的是經(jīng)顱直流電干預(yù)(tDCS)和經(jīng)顱交流電刺干預(yù)(tACS)。在學(xué)習(xí)方面的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在提高記憶力、注意力、工作記憶能力等，尤其是在數(shù)學(xué)方面，能夠提高計(jì)算準(zhǔn)確率、縮短計(jì)算用時(shí)，提升應(yīng)用題、空間幾何題的解題能力。

【研究進(jìn)展】

來(lái)自?shī)W地利格拉茨大學(xué)的約亨·莫斯巴赫(Jochen A. Mosbacher)教授，和來(lái)自哥廷根大學(xué)數(shù)學(xué)研究所的斯特凡·哈弗沙伊德(Stefan Halverscheid)教授領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)，采用通過(guò)對(duì)137名不同年級(jí)的學(xué)生，進(jìn)行了三組干預(yù)方案的對(duì)比研究，研究哪種干預(yù)方式對(duì)提升學(xué)生能力、進(jìn)而提升數(shù)學(xué)成績(jī)最為有效。

三種干預(yù)方案分別是：1、經(jīng)顱直流電刺干預(yù)(tDCS)，2、α波段經(jīng)顱交流電干預(yù)(tACS-α)，3、θ波段經(jīng)顱交流電干預(yù)(tACS-θ)。

研究發(fā)現(xiàn)，三種干預(yù)方案都提升了學(xué)生的數(shù)學(xué)能力，其中θ波段經(jīng)顱交流電干預(yù)(tACS-θ)效果最為明顯，主要表現(xiàn)在：

1、提高了學(xué)習(xí)效率，特別在新知識(shí)學(xué)習(xí)方面，能更加快速的和所學(xué)知識(shí)建立聯(lián)系;

2、提升計(jì)算能力，計(jì)算的正確率、計(jì)算用時(shí)都有明顯提高;

3、提高了抗干擾能力，特別是在考試中，遇到干擾(包括試驗(yàn)人員故意制造的噪聲干擾、考試題中故意設(shè)置的超綱題目干擾)依然能穩(wěn)定發(fā)揮。

【試驗(yàn)說(shuō)明】

本次研究，共有137名學(xué)生參與，其中男生89人，女生48人，共分為7組。分別是偽刺激(Sham組)、接受左額陽(yáng)極tDCS干預(yù)組(tDCS-f)、接受左頂葉陽(yáng)極tDCS干預(yù)組(tDCS-p)、接受左額或頂葉tACS-α波段干預(yù)組(alpha-tACS-f、alpha-tACS-p)、接受左額或頂葉tACS-θ波段干預(yù)組(theta-tACS-f、theta-tACS-p)。

tDCS干預(yù)方案：初始設(shè)定為每次1mA，25分鐘，其中電流強(qiáng)度在30秒內(nèi)從0達(dá)到1mA，然后根據(jù)學(xué)生情況調(diào)整，最高為1.5mA;

tACS干預(yù)方案：干預(yù)波段包含θ波段3-6 Hz、低α波段8-10 Hz、 高α波段10-13 Hz、β波段13-30 Hz，干預(yù)同時(shí)通過(guò)EGG監(jiān)控學(xué)生大腦變化。

試驗(yàn)過(guò)程如下圖所示(以tACS-α波段干預(yù)為例，其他各組試驗(yàn)流程相同)：

準(zhǔn)備階段：上圖左側(cè)灰色部分所示，學(xué)生收到試驗(yàn)說(shuō)明，然后工作人員分兩次采集學(xué)生腦電(第一次是tDCS或tACS干預(yù)，但不做題時(shí)候的腦電;第二次是安靜狀態(tài)下的腦電)，作為初始數(shù)據(jù);

　　干預(yù)階段：上圖中間藍(lán)色部分(Block1-5)部分，試卷將題目平均分為5個(gè)單元，學(xué)生做第1單元不干預(yù)，第2、3單元進(jìn)行tDCS或tACS干預(yù)，第4、5單元不進(jìn)行干預(yù)，每個(gè)單元中間休息1分鐘，并全程測(cè)量學(xué)生腦電(EGG)變化;

結(jié)束階段：上圖右側(cè)灰色部分所示，做完試卷后，在測(cè)量一次學(xué)生處于安靜狀態(tài)下的腦電。

說(shuō)明：試驗(yàn)包括計(jì)算能力測(cè)試、新知識(shí)學(xué)習(xí)測(cè)試等，在不同的測(cè)試中，Block1-5的內(nèi)容也不同。如在計(jì)算能力測(cè)試中已若干道四則運(yùn)算題目為一個(gè)單元(Block)，在新知識(shí)學(xué)習(xí)測(cè)試中則以概念說(shuō)明+例題+練習(xí)一個(gè)單元(Block)。

【結(jié)果分析】

如上圖所示，統(tǒng)計(jì)了在新知識(shí)學(xué)習(xí)過(guò)程中，每組學(xué)生需要重復(fù)檢索(如向前查看概念、例題)的次數(shù)結(jié)果，tACS-θ波段干預(yù)組重復(fù)檢索的次數(shù)最少，其他試驗(yàn)結(jié)果與之類(lèi)似，這里不再贅述。

如上圖所示，為了驗(yàn)證不同干預(yù)方案，測(cè)試成績(jī)與各腦電變化的關(guān)系，試驗(yàn)人員對(duì)比了各組學(xué)生試驗(yàn)中從開(kāi)始干預(yù)、結(jié)束干預(yù)、干預(yù)結(jié)束后(約10分鐘)三個(gè)階段腦電各波段變化情況(θ波段-theta、低α波段-lower-alpha、 高α波-upper-alpha、β波段-Bata)

可以明顯看出，θ波段-theta的變化最為明顯。干預(yù)過(guò)程中，降低了各個(gè)腦區(qū)θ波段的頻率;而隨著干預(yù)結(jié)束，各腦區(qū)θ波段又恢復(fù)到干預(yù)前甚至更高;這也解釋了為什么tACS-θ波段干預(yù)組在測(cè)試中成績(jī)更為優(yōu)秀的原因。

　　【安全性分析】

如上圖所示，試驗(yàn)中主要不適感為刺痛或瘙癢，感覺(jué)等級(jí)均在2級(jí)以下(1~5級(jí)，分別為1級(jí)-幾乎感覺(jué)不到、2級(jí)-感覺(jué)輕微、3級(jí)-有明顯感覺(jué)、4級(jí)-有明顯感覺(jué)但不影響使用、5級(jí)-感覺(jué)明顯無(wú)法繼續(xù)使用)，說(shuō)明無(wú)論是tDCS干預(yù)還是tACS干預(yù)，都是符合安全標(biāo)準(zhǔn)的。

說(shuō)明：tDCS和tACS，歐洲各國(guó)和美國(guó)的安全標(biāo)準(zhǔn)有所區(qū)別。一般采用美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院(National InstitutesofHealth，NIH)推薦的標(biāo)準(zhǔn)，即在使用合適的電極和導(dǎo)電膏條件下，電流密度在<25.46A/㎡為安全范圍。根據(jù)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，目前主流的tDCS和tACS設(shè)備，電流強(qiáng)度在0.5~2mA，根據(jù)模擬試驗(yàn)的結(jié)果，約為0.2~0.5A/㎡，約是該標(biāo)準(zhǔn)的0.5%~1%。

【研究結(jié)論】

tDCS和tACS技術(shù)，都能提高學(xué)生的注意力、記憶力、學(xué)生能力。由于每個(gè)學(xué)生情況不同，操作上需要采取不同的干預(yù)方案。

【參考文獻(xiàn)】

Mosbacher J A, Halverscheid S, Pustelnik K, et al. Theta Band Transcranial Alternating Current Stimulation Enhances Arithmetic Learning: A Systematic Comparison of Different Direct and Alternating Current Stimulations[J]. Neuroscience, 2021, 477: 89-105.

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