增强脑功能和治疗疾病的新工具

最新研究表明，电刺激可以迅速且可逆地增加或减少健康人的执行功能并改变其行为。

罗伯特·赖因哈特（Robert Reinhart）将额叶内侧皮层称为“大脑的警钟”。

“如果出错，大脑区域就会着火，”艺术与自然科学学院心理与脑科学助理教授莱因哈特（Reinhart）说。“如果我告诉您您犯了一个错误，那么它也会触发。如果有什么让您感到惊讶的话，它会开火。”在钢琴上敲一个酸味的音符，内侧额叶皮层点亮，帮助您尽快纠正错误。在健康的人中，大脑的这一区域与附近的区域（额叶前额叶皮层）齐头并进（或者可能是在叶中），这是一个存储规则和目标的区域，并且在改变我们的决策和行动中也起着重要的作用。

Reinhart说：“这可能是与执行功能和自我控制有关的两个最基本的大脑区域。”他使用一种称为高清经颅交流电刺激（HD-tACS）的新技术，通过在电极上放置两个电极来刺激这两个区域。参与者的头皮。通过使用这项新技术，他发现改善这两个区域之间的脑电波或振荡的同步性可以增强彼此之间的交流，从而使参与者能够更好地完成与学习和自我控制有关的实验室任务。相反，使这些区域中的脑电波时序失去同步或中断，会削弱参与者学习和控制其行为的能力，这是莱因哈特可以通过改变其电刺激方式来快速修复的一种效果。

该研究成果于2017年10月9日发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上，表明电刺激可以迅速且可逆地增加或减少健康人的执行功能并改变其行为。这些发现可能有一天会导致可以增强大脑正常功能的工具，可能有助于治疗从焦虑到自闭症的疾病。

“我们一直在寻找大脑活动与行为之间的联系-仅凭其中之一是不够的。这就是使这项发现如此令人兴奋的原因之一。”心理学和脑科学教授兼主席David Somers（GRS’93）说。不参与这项研究的萨默斯将刺激比作是大脑的“涡轮增压”。他说：“弄乱大脑中的东西确实很容易，但是要真正改善功能要困难得多。”

最近的研究表明，内侧额叶皮层和外侧额叶前皮层中的数百万个细胞群可以通过它们同步振荡的精确时机相互通信，并且这些脑节律似乎以相对较低的频率发生（大约4个频率）。每秒八个循环）。尽管科学家之前已经研究过这些波，但是Reinhart率先使用HD-tACS来测试这些细胞群如何相互作用以及它们的相互作用在行为上是否对学习和决策有用。在由美国国立卫生研究院（National Institutes of Health）资助的工作中，赖因哈特（Reinhart）能够使用HD-tACS分离并改变这两个特定的大脑区域，同时还可以通过脑电图记录参与者的脑电活动。

萨默斯说：“与以前相比，科学要强大得多，精确得多。”

在他的第一轮研究中，赖因哈特测试了30名健康参与者。每个受试者都戴有软帽，该软帽上装有能刺激大脑活动的电极，而其他电极则能监测脑电波。（赖因哈特说，该过程安全，无创且不会造成伤害。他说：“在开始的30秒内有轻微的刺痛感，然后人们开始适应它。”然后，在40分钟内，参与者执行了时间估算学习任务，并在他们认为已过1.7秒时按了一个按钮。每次，计算机都会给他们反馈：太快，太慢或恰到好处。

莱因哈特（Reinhart）对这30名参与者中的每一个进行了3次测试，一次是上调振动，一次是打乱振动，什么都不做。在他提高两个大脑区域之间同步性的测试中，人们学习得更快，出错的次数更少，而且当他们出错时，他们可以更准确地调整他们的表现。而当他反而打乱了振荡并降低了同步性时-从一个很粗略的意义上讲，轻而易举地从“聪明”切换到“愚蠢”，受试者就会犯更多的错误，学习起来也更慢。效果是如此微妙，以至于人们自己并未注意到任务的任何改善或损害，但结果具有统计学意义。

然后，赖因哈特（Reinhart）在30位新参与者中重复了该实验，通过一次仅观察大脑的一侧来增加另一个研究参数。在所有情况下，他都发现大脑的右半球与行为改变更相关。

然后是该研究中最有趣的部分：还有30多名参与者参加并尝试了该任务。首先，赖因哈特（Reinhart）暂时打乱了每个受试者的大脑活动，看着他们的脑波不同步并且他们在任务上的表现下降。但是这一次，在任务的中间，莱因哈特（Reinhart）切换了刺激的时机，将旋钮从“哑巴”调到“智能”。参与者在几分钟之内恢复了他们最初的大脑同步性和学习行为水平。

他说：“结果和刺激效果可以逆转的速度令我们震惊。”

尽管赖因哈特（Reinhart）警告说，这些结果只是初步的，但他指出，许多精神病和神经病（包括焦虑症，帕金森氏症，自闭症，精神分裂症，多动症和阿尔茨海默氏症）均显示出震荡。目前，大多数此类疾病都是通过作用于整个大脑受体的药物来治疗的。“毒品真的很乱，”赖因哈特说。“它们通常会影响大脑的很大一部分。”相反，他想象的是一种具有精确针对性的大脑刺激的未来，这种刺激仅作用于大脑网络的一个关键节点，“就像一把更好的手术刀”。他的下一条研究路线将在焦虑症患者身上测试这项技术。

当然，该技术还可以为健康的大脑带来希望。几家公司已经销售了声称可以增强学习能力和减轻焦虑的脑刺激设备。YouTube视频展示了如何用双A电池和现成的电子设备制作自己的产品，这是赖因哈特不鼓励的做法。他说：“您可能会伤害自己。”“您可能会被烧伤，并有几天持续流过头顶的电流。”

但是，他确实看到了上诉。“在以前的研究中，我有一些志愿者回来，他们说：‘嘿，我从哪里可以得到其中之一？我很想在考试前参加考试。’”他说。“那是在我们向他们汇报后，他们正在阅读有关此事的论文。”

Somers指出，在这项技术成为主流之前，还有很多问题要回答：效果能持续多久？你能做到多大？您能从一个简单的实验室任务推广到更复杂的工作吗？他说：“但是最大的问题是，这项技术能走多远？”

“考虑任何给定的工作日，”萨默斯说。“您需要真正参加一次会议，因此您需要在午休时间中留出一些时间来刺激大脑。我认为很多人都会真正地喜欢上它-就像三杯咖啡而不会动摇。”

出版物：罗伯特·M·雷因哈特（Robert M. G. Reinhart），“区域间θ相耦合和适应性行为的破坏和拯救”，PNAS，2017年；土井：10.1073 / pnas.1710257114