【背景分析】
自2000年起，通過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，能夠提高計算準(zhǔn)確率、縮短計算用時，提升應(yīng)用題、空間幾何題的解題能力。
【研究進(jìn)展】
來自奧地利格拉茨大學(xué)的約亨·莫斯巴赫(Jochen A. Mosbacher)教授，和來自哥廷根大學(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，采用通過對137名不同年級的學(xué)生，進(jìn)行了三組干預(yù)方案的對比研究，研究哪種干預(yù)方式對提升學(xué)生能力、進(jìn)而提升數(shù)學(xué)成績最為有效。
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，特別在新知識學(xué)習(xí)方面，能更加快速的和所學(xué)知識建立聯(lián)系;
2、提升計算能力，計算的正確率、計算用時都有明顯提高;
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。
【試驗說明】
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)、接受左額陽極tDCS干預(yù)組(tDCS-f)、接受左頂葉陽極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)同時通過EGG監(jiān)控學(xué)生大腦變化。
試驗過程如下圖所示(以tACS-α波段干預(yù)為例，其他各組試驗流程相同)：
準(zhǔn)備階段：上圖左側(cè)灰色部分所示，學(xué)生收到試驗說明，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)，每個單元中間休息1分鐘，并全程測量學(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，在測量一次學(xué)生處于安靜狀態(tài)下的腦電。
說明：試驗包括計算能力測試、新知識學(xué)習(xí)測試等，在不同的測試中，Block1-5的內(nèi)容也不同。如在計算能力測試中已若干道四則運算題目為一個單元(Block)，在新知識學(xué)習(xí)測試中則以概念說明+例題+練習(xí)一個單元(Block)。
【結(jié)果分析】
如上圖所示，統(tǒng)計了在新知識學(xué)習(xí)過程中，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，其他試驗結(jié)果與之類似，這里不再贅述。
如上圖所示，為了驗證不同干預(yù)方案，測試成績與各腦電變化的關(guān)系，試驗人員對比了各組學(xué)生試驗中從開始干預(yù)、結(jié)束干預(yù)、干預(yù)結(jié)束后(約10分鐘)三個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)過程中，降低了各個腦區(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)組在測試中成績更為優(yōu)秀的原因。
【安全性分析】
如上圖所示，試驗中主要不適感為刺痛或瘙癢，感覺等級均在2級以下(1~5級，分別為1級-幾乎感覺不到、2級-感覺輕微、3級-有明顯感覺、4級-有明顯感覺但不影響使用、5級-感覺明顯無法繼續(xù)使用)，說明無論是tDCS干預(yù)還是tACS干預(yù)，都是符合安全標(biāo)準(zhǔn)的。
說明：tDCS和tACS，歐洲各國和美國的安全標(biāo)準(zhǔn)有所區(qū)別。一般采用美國國立衛(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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