无创脑刺激改善认知功能中的神经反馈作用研究

Neural feedback is an effective way in non-invasive brain stimulation for improving motor and cognitive functions, and has exhibited its significant value in clinical practice. Based upon the experiments using real time fMRI and EEG to study neural feedback, this proposed project will investigate the central targets of transcranial magnetic stimulation (TMS) and direct transcranial current stimulation (tDCS) and the neural pathways mediating their effects. By establishing the relationship between neural feedback’s modulating effects and the TMS/tDCS’ central target-effectors circuits, we will reveal the neural encoding and decoding mechanisms underlying the enhanced TMS/tDCS’ effects through neural feedback. We will further demonstrate functional brain networks mediating such enhancement by developing new feedback signaling paradigms and new dynamic analysis methods. The TMS/tDCS modulation and real time imaging approaches will be optimized and validated in order to provide new neural feedback theory and methodology for brain functional enhancement and treatment of motor and cognitive deficits in patients with cerebral hemiplegia.

神经反馈作为无创脑刺激改善运动与认知功能中一种有效手段，在临床实践中具有显著应用价值。基于fMRI与EEG实时神经反馈实验，本项目将研究经颅磁刺激（TMS）和经颅直流电刺激（tDCS）的中枢靶点及神经传导回路。通过研究TMS/tDCS的中枢靶点及效应器回路与反馈调节作用之间的关系，我们将揭示反馈信号在提升其刺激效应中的神经编码与解码机制。通过建立新的反馈调节信号模式和新的反馈作用动态分析方法，我们将进一步揭示TMS/tDCS效应增强背后的神经机制，包括反馈信号的双向性、时变性、因果性及脑功能网络特性。针对脑中风和儿童偏瘫引起的运动与认知障碍，本项目将寻求最佳的TMS/tDCS刺激模式和功能影像范式组合，验证“无创脑刺激可以通过调节简单的运动功能进一步改善高级认知功能”和“正常脑功能的提升与疾病脑功能修缮共有相同的神经机制”这两个假设，为神经反馈改善脑功能及提高其临床作用提供新的理论与方法。

本项目计划基于BOLD与EEG实时神经反馈实验，确立无创脑刺激的中枢靶点及神经传导回路或网络，揭示多模态反馈信号在提升TMS/tDCS 刺激效应中的作用机制，从而实现无创脑刺激调节脑运动与认知功能的效应及临床应用。项目组根据计划，开展了三大方面的研究，建设（开展无创脑刺激干预和实时神经反馈）实验平台，确定关键认知能力及其神经基础（机制），开展（针对临床人群的）干预和（健康人群的）认知增强研究。重要结果总结如下。在注意功能提升方面，通过研究信息加工水平对注意选择机制的影响、注意对输入信息的选择范围、工作记表征对注意引导的时间过程等问题，提出注意的选择性以类别为边界的观点。在执行功能提升方面，发展了先看后做设计排除运动执行对监测加工的影响，提出了经由实验条件调控警觉水平的新方法，提出了认知灵活性的动态神经编码研究方法。在工作记忆提升方面，发展了自我偏向的工作记忆表征精度研究范式，提出了难度适应性的工作记忆训练能够产生可靠远迁移的观点，发现了工作记忆受腹内侧前额叶皮质调控的因果性证据。在临床应用方面，从大脑脑区活动、脑区间连接、脑网络以及网络间连接等功能变化和灰白质体积、皮层形态学、白质纤维连接等结构变化的多重维度，进行了肥胖患者与正常被试的横向比较和肥胖患者减重手术前后的纵向追踪，发现减重手术显著改善了与抑制控制密切相关的背外侧前额叶脑区活动和背外侧前额叶-前扣带回通路的变化。探究实时神经反馈调控改善大脑功能与增强认知的神经可塑性机制，结果表明神经反馈不仅显著降低体重，食物奖赏、渴求和成瘾等行为表现，而且提高了工作记忆、抑制控制、冲动性等与摄食行为密切相关的认知能力，建立了一套神经反馈的调控技术。本项目研究对于理解无创脑刺激、实时神经反馈以及它们的相互作用在改善认知能力中的作用机制有重要理论意义，研究成果能为开发有效的认知改善方案提供关键理论支撑。