《Journal of Neuroscience Methods》：Neurophysiological and behavioral effects of oscillatory transcranial direct current stimulation (otDCS)
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这篇综述深入探讨了振荡经颅直流电刺激(otDCS)这一新兴的非侵入性脑刺激技术，它巧妙结合了经颅直流电刺激(tDCS)的持续极化和经颅交流电刺激(tACS)的振荡特性。文章系统阐述了otDCS的正式定义、神经生理机制，并总结了其在调节皮层兴奋性、振荡功率，以及改善睡眠期记忆巩固、觉醒状态下注意力、执行功能和联想学习等方面的实证发现。尽管其效应不能简单地视为tDCS与tACS效应的线性叠加，但现有证据表明，otDCS代表了一种在特定频率和极性依赖下调控大脑活动的潜力巨大的方法，值得进一步开展机理和转化研究。
1. 引言
调节大脑活动模式的能力，是研究神经生理与人类认知关系的关键工具。在过去的二十年里，低强度经颅电刺激(tES)已成为探究和调控人脑功能的广泛应用方法。在tES中，施加于头皮水平的电流（通常在1-4 mA范围内）有一部分到达大脑并调节膜电位。最常用的tES形式包括提供恒定电流的经颅直流电刺激(tDCS)，以及提供振荡电流以调节神经节律的经颅交流电刺激(tACS)。振荡经颅直流电刺激(otDCS)则结合了交流电(AC)和直流电(DC)的特点。尽管otDCS直观上似乎是tACS和tDCS特性的叠加，但越来越多的证据表明，其产生的神经生理和行为学结果并非两者的简单相加。
otDCS由Marshall及其同事在2006年引入（比tACS的提出早两年），但直到最近才引起越来越多的关注。早期，otDCS被用于通过靶向（亚）δ频率范围的慢振荡来调节睡眠期间的记忆巩固。此后，一些后续研究使用了类似的设置，通常被称为慢振荡tDCS (so-tDCS)。另一些研究则使用otDCS来调节觉醒状态下的认知表现，包括联想记忆和工作记忆、运动学习以及注意力。至关重要的是，当直接比较tDCS、tACS和otDCS时，它们显示出可比的可接受性，但每种模式却表现出不同的效应，这些效应无法用物理和生理效应的简单线性叠加来解释。
考虑到tDCS、tACS和otDCS之间的效应差异，我们有理由认为otDCS能够解决独特的研究问题和假设。本文回顾了otDCS与其他tES技术的不同之处，以及其影响人类行为的最新进展。
2. otDCS的正式定义
otDCS被定义为电流偏移（直流分量）由叠加的正弦或准正弦波形进行幅度调制的刺激。otDCS的定义性特征是具有直流偏移的波动电流，最常用正弦调制实现，尽管早期实施使用了非正弦波形，如梯形刺激。瞬时电流（给定时间点传递的电流）可以正式定义为：
I(t) = IDC+ IACsin(2πft+ φ)
其中IDC表示基线电流偏移（例如1mA），可以是正值或负值；IAC表示振荡分量的最大幅度（例如0.5mA）；正弦项由频率(f)和初始相位(φ)定义。根据定义，在otDCS中，目标电极处正直流偏移的存在必然伴随着返回电极处相应的负偏移，反映了刺激电路内的电流守恒。因此，电极蒙太奇在此以“主动-返回”格式表示（例如C3–Fp2），并且当目标电极为负偏移时需明确指定直流偏移的极性；否则，默认目标电极为正偏移。otDCS的强度由其峰值定义（例如1.5 mA），但应报告为IDC± IAC（例如1 mA ± 0.5 mA），其中平均强度和幅度允许与tDCS和tACS方案进行比较。本文后续将使用此表示法来指明所用强度。otDCS的频率范围可以从0.01Hz到10,000Hz，通常慢otDCS<1Hz，而设计用于靶向典型脑振荡频段的otDCS为2-60Hz。相位通常设置为0作为上升期的延续，除非对内源性活动的相位关系感兴趣，此时可设置为波峰或波谷，甚至与内在振荡相位锁定。otDCS可以使用支持自定义电流波形的商用研究级tES设备，或允许将波形定义为AC和DC组件组合的设备来实施。振荡tDCS可以使用一对电极或通过多电极配置（如HD-tES中使用的4x1蒙太奇或网络靶向自定义阵列）来传递。其他刺激参数，包括持续时间、会话次数、会话间隔等，都属于低强度tES的一般框架。
3. otDCS的神经生理机制
3.1. 静息膜电位的阈下变化
任何tES的应用通常采用0.5至4 mA范围内的电流。虽然少数研究尝试了更高强度，但通常认为tES本身不会诱发动作电位。大脑中实现的电场强度通常在0.1至1 mV/mm之间，大约是头皮水平的十分之一。虽然电流不足以直接诱发动作电位，但根据极性不同，它可以轻微增加或减少静息膜电位。
在直流电(DC)情况下，这种对静息膜电位的调节是恒定的。一个重要因素是躯体树突轴。当电流方向朝向轴突与躯体树突轴对齐时，可以观察到轻微的去极化。鉴于锥体细胞通常垂直于皮质表面定向，这种去极化往往发生在阳极电极下。静息膜电位的这种轻微去极化增加了自发放电的可能性，因为膜电位被提升至更接近放电阈值。相反，当电流方向与树突到胞体的取向相反时（这往往是阴极电极下的情况），会观察到轻微的超极化，导致神经放电的可能性降低。除了躯体树突方向，树突生理本身也应考虑。最近的一项建模研究表明，tDCS会引起树突生理的显著改变，最终导致足以解释功能性神经元中持久可塑性调节的变化。他们表明，阴极刺激会增加树突输入电阻和局部兴奋性突触后电位的幅度，而阳极刺激则会降低它们。
动物研究中的开创性工作通过测量皮下极化神经元时的自发放电，证明了上述机制。他们还证明这些效应在刺激期后持续存在。后续研究在猫的皮质活动中证明了阳极和阴极刺激的相反效应。值得注意的是，虽然这些早期研究证明了直流电调节皮质活动的机制，但使用的强度明显高于现代人类实验。更近期的研究在大鼠中证明了使用与人类tES研究相当的强度进行直流电刺激能够去极化和超极化神经活动的能力。然而，刺激的效果不仅取决于强度，还取决于刺激持续时间、电极大小和蒙太奇。此外，直流电刺激可能对网络活动、代谢活动以及超极化刺激前已有的神经活动产生次级效应。因此，估计一次刺激会话的净后果并非易事。在人类研究中，此类极化效应的证据主要基于皮质兴奋性的间接测量。尽管存在相当大的个体间和个体内差异，但结果与动物研究已知的情况一致。此外，关于静息膜电位的经典阳极-阴极效应主要源于运动皮层研究，可能无法直接推广到认知和感觉领域，在这些领域中，刺激效应更可能由网络级动力学和状态依赖性因素塑造。
3.2. 夹带
与直流电刺激相反，施加交流电(AC)不会导致持续的去极化或超极化。相反，兴奋性升高状态会随着正弦电流节律性地发生。因此，神经放电偏向于特定的时间点，该点对应于特定的振荡相位。这种相位与放电之间的锁定被称为“夹带”。振荡夹带的次要后果可以是在宏观尺度上观察到的振荡功率增加。围绕零轴对称的交流电将以节律方式对同一组神经元进行超极化和去极化。同时，具有相反躯体树突取向的神经元群将表现出相反的去极化和超极化模式（然而，其他因素，如树突生理，也应考虑）。例如，在头尾蒙太奇中检查脑回的前后岸时可能就是这种情况。因此，tACS预计不会改变总放电率，而是调节其时间对齐，促进爆发式放电模式。
二十世纪下半叶的一些开创性动物研究直接证明了交流电可以诱发神经活动的节律模式。最近，在雪貂、大鼠和非人灵长类动物中的研究支持了交流电诱导夹带的观点。在人类中，直接测量神经夹带很困难，因此间接证据集中在刺激后调制的振荡或皮质兴奋性上。与tDCS一样，tACS在人类中的效应，特别是在行为认知层面，已显示出显著的变异性。
3.3. otDCS相对于tDCS和tACS的独特神经生理学特征
otDCS中使用的振荡直流电施加的是不跨越零轴的波动电流。直流偏移被认为会使神经元群体偏向于阈下极化状态，从而调节它们对突触输入的响应性，而叠加的振荡则周期性地放大或减弱这种效应。重要的是，由于振荡分量不是围绕零对称交替，兴奋和抑制相位本质上是不平衡的。与tDCS和tACS相比，目前还没有动物研究测量过otDCS期间的直接神经活动。
可以使用电场模型模拟振荡不同时刻的电场分布，为otDCS引起的神经活动变化的假设提供基础。基于这些模型，预计otDCS对神经元的调制将与tACS显著不同。尽管单个神经元根据其相对于电场的取向可能会经历相反的极化，但皮层锥体细胞主要垂直于皮质表面排列，导致一致的净极性。因此，任何潜在的夹带效应都发生在具有共同躯体树突取向的神经群体内，而不是相反取向的群体中。这种不对称性可能导致与内在节律的非线性相互作用，可能以不同于tACS的频率特异性方式增强夹带或促进可塑性。然而，值得注意的是，这仍然是一个源自理论和建模工作的假设机制。
4. otDCS对人类神经生理学指标的影响
早期一项研究在运动皮层上应用了阳极和阴极方向的otDCS（C3-对侧眶部，0.56 mA ± 0.25mA），频率为5、10和15 Hz。在任何情况下，均未发现对脑电图结果和运动诱发电位幅度的后效应。然而，刺激强度较低，且刺激持续时间（2-4分钟）与后续研究相比较短。在更高强度下（C3-FP2，0.75 mA ± 0.75 mA，0.8 Hz），研究表明otDCS可以增加运动诱发电位。最近的研究进一步证实了这种效应，显示个体化运动皮层β波段otDCS和γ波段otDCS后，运动诱发电位增加。在所有情况下，这些效应都明显强于单独的tACS和tDCS。此外，研究表明β波段otDCS可能增加皮质肌肉相干性，但前提是刺激频率接近内源性峰值相干频率。这与夹带遵循Arnold舌模式且在自然表达频率附近最强的观点一致。少数其他研究也提供了otDCS相关夹带的证据，例如研究显示5 Hz otDCS增加了相同脑电图频段的振荡功率，α波段otDCS显著增加了刺激后静息态α功率，针对左前额叶皮层的otDCS增加了与刺激频率相同范围的脑电图功率，并且观察到额叶内以及额叶与顶叶区域之间的相位锁定增加。尽管夹带大多是频率特异性的，但研究表明0.75 Hz的otDCS可以在觉醒状态下提升θ功率。此外，otDCS已被证明能发挥独特的网络级效应，显示出比tDCS或tACS对静息态脑电图微状态动力学的更大调制，以及对时变脑电图成分和连接性的更大改变，并且对I/E平衡标志物（如脑电图听觉稳态电位）具有基线依赖性效应。
5. otDCS对行为和认知功能的影响
5.1. otDCS在睡眠期间的影响
最早使用otDCS的研究是在睡眠背景下进行的，旨在改善记忆巩固。研究表明，在非快速眼动睡眠期间外部诱导慢（<1 Hz）皮层振荡可以增强陈述性记忆的巩固。具体来说，应用0.75 Hz的otDCS增强了慢波睡眠、内源性皮层慢振荡和纺锤波活动，从而改善了陈述性记忆的保留。这些电生理学观察结果后来在啮齿动物身上得到了复制，证实了缓慢振荡电场可以通过与内在网络动力学共振来加强长时记忆痕迹。
然而，后续研究在不同人群中产生了不一致的结果。在老年人中的研究表明，otDCS增加了慢波和纺锤波活动，但没有一致地改善记忆，这可能反映了与年龄相关的慢波睡眠或皮质反应性下降。不一致的效应也与刺激时机、持续时间以及刺激频率与个体内在慢振荡的对齐度差异有关。相比之下，效应在睡眠或认知功能受损的人群中似乎更为稳健。研究发现，0.75 Hz的otDCS使注意力缺陷多动障碍儿童的陈述性记忆表现正常化。此外，研究报告了在轻度认知障碍和颞叶癫痫患者中记忆改善和纺锤波-慢振荡耦合增强。
除了记忆巩固，睡眠otDCS作为稳定睡眠结构的治疗工具也显示出前景。例如，研究报告称，对失眠患者应用otDCS增加了第3阶段睡眠持续时间，减少了夜间觉醒，并改善了睡眠效率。然而，后续研究强调，刺激效果在很大程度上取决于网络的易感性、先前的学习以及个体间因素，如基线记忆能力。最近的方法改进表明，短暂（30秒）的刺激可以调节慢振荡-纺锤波耦合，尽管最佳频率对齐尚未完全明确。总体而言，文献支持otDCS在增强睡眠生理和记忆巩固方面具有因果但依赖于情境的作用，对于治疗认知衰退和睡眠障碍具有转化潜力。
5.2. 觉醒状态下otDCS对任务表现的影响
睡眠中的有希望发现、otDCS诱导的神经生理效应（即觉醒状态下的节律同步），以及θ节律在记忆中已确立的作用，促使了用于记忆增强的θ波段otDCS的开发和运用。最初关于otDCS在觉醒人类中调节记忆的实验证据揭示了对表现的破坏而非促进。一项研究在言语项目-来源识别范式中，在编码和检索之间应用了θ波段otDCS。与假刺激相比，otDCS损害了来源记忆准确性，并伴有检索期间θ波段活动减少的脑电图证据。
随后的研究转向后部皮质区域，特别是左后顶叶皮层，该区域在磁共振成像引导的经颅磁刺激实验后成为一个有前景的靶点，这些实验表明通过加强顶叶-海马功能连接可以增强联想记忆。一项研究在编码面孔-单词关联之前，在后顶叶皮层上应用了阳极θ波段otDCS，结果显示与假刺激相比，线索回忆表现有所改善，记忆益处随时间逐渐下降，但显示出规范的遗忘和持续的改善趋势。另一项研究扩展了这些发现，在短期记忆任务期间向后顶叶皮层传递阳极θ波段otDCS，再次报告了促进作用。然而，与tDCS和相同θ频率的tACS相比，两项研究中组间差异均不显著。尽管如此，个体水平分析揭示了可区分的应答者特征，一些参与者选择性地受益于otDCS刺激而非tDCS刺激，反之亦然。在所有主动方案（otDCS、tDCS、tACS）都相对于假刺激改善了记忆。然而，θ调制方案（otDCS和tACS）在高记忆负荷条件下增强了表现，而tDCS效应则由低负荷试验驱动。这些结果支持了以下观点：tDCS主要通过局部兴奋性调节起作用，而振荡形式则促进网络级夹带，特别是在皮层-海马回路内，从而促进联想绑定。为了优化后顶叶皮层靶向性和增加聚焦性，一项研究在编码和检索期间采用了高清晰度otDCS。这种方法在联想记忆方面产生了稳健的改善，表明将功能相关频率的otDCS波形与增加的聚焦性相结合，可能代表了一条有前景的前进道路。
除了与记忆相关的过程，证据表明靶向背外侧前额叶皮层的otDCS可以有效调节执行控制过程。研究表明，在左侧背外侧前额叶皮层应用极慢频率otDCS，相对于假刺激和tDCS，增强了持续注意力，在渐变式持续表现任务中产生了更高的准确性、更少的遗漏和错误，以及更快、更稳定的反应时。扩展这些发现，另一项研究采用了4x1 otDCS蒙太奇，观察到在0.02和0.05 Hz刺激下皮质功率的频率特异性增加，并且在一个结合了工作记忆、刺激抑制和规则更新的任务组中，0.02 Hz刺激增加了抑制控制，而0.05 Hz刺激降低了更新表现。最后，otDCS的效果可能取决于刺激相位。研究发现听觉检测阈值与otDCS振荡的相位对齐，提供了与在tACS研究中观察到的相位相关效应一致的神经夹带行为证据。
6. 未来方向
除了广泛适用于整个tES领域的挑战（例如更好地识别脑靶点、通过优化电极蒙太奇改善电流传递、个性化刺激参数、理解状态依赖性、剂量-反应关系、行为结果特异性、短期与长期效应及迁移效应）之外，otDCS还有其独特的问题。首先，假设的作用机制需要直接验证。未来的研究应测试otDCS是否能诱导皮质神经元的连贯、方向依赖性极化，最好通过动物模型的侵入性记录、植入电极患者的记录以及人类的多模态方法进行。在此背景下，将otDCS与神经影像方法（如功能性磁共振成像或脑电图）结合，对于通过表征otDCS如何塑造大规模脑动力学来理解其神经元作用机制至关重要。同样重要的是确定这些细胞/神经元效应如何转化为网络级动力学，并通过实验区分直流偏移和振荡分量的影响。此外，所提出的机制可能暗示内源性大脑活动的特殊作用，这就引出了otDCS是否对持续的振荡状态特别敏感，或者在覆盖该状态方面特别有效的问题。最后，在行为层面，未来的研究应确定otDCS是否仅产生与tDCS和tACS在数量上或性质上不同的效应，例如不同的应答者特征、在特定状态（如睡眠期间）下增强的效力，或对特定神经回路和认知功能的选择性调制。
7. 结论
OtDCS代表了一种前景广阔但尚未被充分探索的脑刺激形式，它融合了tDCS和tACS的特点。现有证据表明，otDCS可以调节皮层兴奋性和大规模神经同步，影响睡眠和觉醒状态的生理节律和认知功能。在方法论上，otDCS为探究皮层兴奋性和节律动力学之间的相互作用提供了一个有价值的工具，能够验证其他形式的经颅刺激无法解决的假设。然而，关键的机制问题仍然悬而未决，包括振荡偏移如何影响网络同步、刺激频率相对于内源性节律的作用，以及优化行为结果的参数。随着方法的进一步改进和理论基础的夯实，otDCS可能发展成为一种在认知和临床领域中研究和调控脑振荡的多功能工具。
