Nature子刊tACS论文分享:人类前额叶皮层非空间注意力的因果相位依赖控制

2024-02-21 14:19
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2024年2月16日,来自瑞士苏黎世联邦理工学院Jeroen Brus在nature杂志子刊《nature human behaviour》(影响因子24.252/Q1)上发表了题为:Causal phase-dependent control of non-spatial attention in human prefrontal cortex (人类前额叶皮层非空间注意力的因果相位依赖控制)的文章,通过行为和非侵入性刺激范式,展示了人类前额叶交界处的慢性兴奋性波动可以因果相位依赖地控制非空间注意力,揭示了非空间注意力依赖于前额叶兴奋性状态的持续性,这些状态可能由慢振荡动态调节,从而协调目标导向行为。

研究中采用德国neuroConn公司的DC-Stimulator MC多功能经颅电刺激器,通过Matlab精准控制刺激参数,利用2组同心环形橡胶电极(活性电极直径2cm;返回电极内径7.5cm外径10cm)对左右侧额下交界处(IFJ)进行了同相和异相的tACS刺激,刺激频率1.43Hz(周期 0.7s)**电流峰值4mA使用定制编写的代码单独确定每个参与者的振幅。


论文原文参见 https://doi.org/10.1038/s41562-024-01820-z


原文摘要翻译如下:

非空间注意力是一种基本的认知机制,它允许生物体将意识意识的焦点转向与行为目标相关的感官信息,同时将其远离不相关的刺激。有人认为,注意力是由前额皮质神经活动的持续缓慢兴奋性波动所调节的,这一假设受到了挑战,但尚未达成共识。在这里,我们开发了一种行为和非侵入性刺激范例,旨在调节下额叶交界处的缓慢兴奋性波动。使用这种方法,我们表明,非空间注意力可以作为该大脑结构的外源调节兴奋性状态的持续阶段的函数进行选择性调节。这些结果表明,非空间注意力依赖于持续的前额叶兴奋状态,这可能受到缓慢振荡动力学的调节,从而协调目标导向的行为。


利用ChatGPT总结如下,供参考:

论文简要 :

本研究通过行为和非侵入性刺激范式,展示了人类前额叶交界处的慢性兴奋性波动可以因果相位依赖地控制非空间注意力,揭示了非空间注意力依赖于前额叶兴奋性状态的持续性,这些状态可能由慢振荡动态调节,从而协调目标导向行为。


背景信息:

论文背景: 过去的研究表明,注意力受到神经活动慢性兴奋性波动的影响,但这一假设存在争议,因此需要更深入的研究来理解非空间注意力的调控机制。

过去方案: 以往的研究提出了节律性控制作为注意力调节的候选机制,但许多研究的结论受到质疑,因此需要更多实验来验证这一假设。

论文的Motivation: 通过开发新的行为和刺激范式,本研究旨在探究非空间注意力的调控机制,特别是前额叶交界处的慢性兴奋性波动如何影响注意力的选择性调节,从而填补现有研究的空白。


方法:

a. 理论背景:

  • 讨论非空间注意力在行为引导中的作用,以及前额叶皮层在调节注意力中的参与。

  • 强调了与控制非空间注意力相关的下额连接的远程功能性相互作用的重要性。

  • 提到了一个假设,即前额叶皮层中缓慢和周期性的神经元兴奋性波动可能影响注意力调节,但对非空间注意力的自上而下调节机制仍存在争议。

b. 技术路线:

  • 研究人员设计了一个行为范式,用于在非空间注意力期间在下额连接中诱导标记的振荡。

  • 参与者观看两个重叠的感觉刺激:一个云点在屏幕左侧或右侧移动,以及室内或室外场景的图像。

  • 刺激在时间上的可见性发生变化,而亮度和频谱功率的变化保持恒定。

  • 参与者被提示关注运动或场景特征,并在每个刺激流结束时指示他们的感知。

  • 最后一个刺激流中的感觉证据水平被改变以调节任务难度。


结果:

a. 详细的实验设置:

  • 研究应用了交流电流刺激(tACS)来调节注意力过程。

  • tACS以1.43 Hz的感觉标记频率应用,与感觉刺激的呈现精确同步。

  • 实验包括两次实验室访问,参与者在一次实验室访问中接受同相tACS用于一个感觉提示,另一次实验室访问中接受异相tACS用于另一个提示。

  • 研究调查了刺激对感觉辨别表现的影响,并分析了刺激效应的时间演变。

b. 详细的实验结果:

  • 研究发现,同相刺激改善了在提示运动时的感觉辨别表现,但在提示场景时没有改善。

  • 刺激对辨别表现的影响在刺激期间显著,并在刺激关闭后立即消失。

  • 研究还揭示了异相刺激在提示运动时仅在刺激期间阻碍了辨别表现。

  • 这些效应对于干扰特征并不存在。 drift-diffusion模型分析结果显示,当提示运动时,tACS诱导的行为调节特别增强了感觉证据的速率,而其他参数保持不变。


Note:

本总结源自于LLM的总结,请注意数据判别. Power by ChatPaper. End.



论文主要图示如下:

Fig. 2: Temporal alignment of tACS over the IFJ modulates sensory perception (Experiment 3,n=37).


a, 左右IFJ上放置了两对同心电极,达到了约0.5 V/m的相对集中的峰值电场(附图7)。 b, tACS电流遵循正弦函数,可以与视觉标记反应的相位同步或与视觉标记反应的相位滞后180°。 c, 在不同难度水平上的正确试验百分比显示,参与者使用了提示的感官证据,忽略了无关的刺激。数据以均值±标准误差的形式呈现。 d, 当被引导注意运动主要位于最困难的难度水平时(单尾配对样本Wilcoxon检验;V = 417,P < 0.001,r = 0.55,95% CI,(6.2,∞)和V = 420,P = 0.042,r = 0.28,95% CI,(0,∞)分别为1级和2级)以及在最高证据水平上进行场景辨别时(V = 328.5;P = 0.023;r = 0.35;95% CI,(0,∞)),参与者在与视觉标记反应同步的tACS条件下表现比与视觉标记反应反相的条件更好。数据以均值±标准误差的形式呈现。 e, 线性混合效应模型显示,在运动试验中(除了运动证据的主效应之外;βRFX = 10.6;95% CI,(8.6,12.6);PMCMC < 0.001),运动证据和刺激条件之间存在显著的交互作用效应(βRFX = 2.8;95% CI,(0.8,4.8);PMCMC = 0.004),无关感官特征的影响。在场景试验中,只有场景的主效应是显著的(βRFX = 13.7;95% CI,(11.7,15.7);PMCMC = 0.001)。标准化效应代表了对应后验β估计的期望值±标准差,除以其标准差。 f, 基于漂移扩散模型的计算建模分析显示,当运动被提示时,tACS诱导的行为调节与增强感官证据的速率有关(βRFX = 2.6;95% CI,(0.6,4.6);PMCMC = 0.0018),而不影响其他参数。标准化效应代表了对应后验β估计的期望值±标准差,除以其标准差。 g, 移动窗口分析显示刺激效应是在线的。灰色阴影区域表示打开刺激的窗口。线表示期望值,线周围的阴影区域表示交互证据×刺激的后验估计的±1个标准差。顶部的黑色条表示P < 0.05簇校正效应。 h, 我们发现,在运动提示试验中(左侧),反相刺激显著阻碍了表现(P < 0.05簇校正)。线表示期望值,线周围的阴影区域表示交互证据×刺激的后验估计的±1个标准差。


论文中实验使用的电刺激装置为德国neuroConn DC-Stimulator MC 多功能经颅电刺激仪,是专为满足高端科研需求设计的一款可编程控制的多功能多通道电刺激产品,支持tDCS,tACS,tRNS,HD-tES等多种刺激范式,支持通过Matlab编程精确控制。支持配套核磁兼容模块进行核磁下同步刺激,可配套提供包括论文中使用的环形电极在内的多种规格橡胶电极及氯化银电极。


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