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本研究发现，在老年小鼠麻醉/手术期间给予1小时40 Hz视觉光闪烁干预，可显著改善其术后认知功能。其潜在机制在于，40 Hz刺激激活了初级视皮层（V1），并逆转了手术本身导致的V1与海马齿状回（DG）之间伽马频段（γ， 25–40 Hz）功能连接（以场电位相干性衡量）的降低，从而保留了视觉-海马环路的功能整合。该研究为探索围术期神经认知障碍（PND）的非药物预防策略及40 Hz感官刺激改善认知的神经机制提供了新见解。
1 引言
感觉刺激因其独特优势，近年来已成为改善认知功能研究的热点领域。作为一种常用的非侵入性感觉刺激方法，视觉光闪烁疗法在改善普遍认知下降或神经退行性疾病（如阿尔茨海默病， AD）方面已显示出潜力。特别是，近期权威期刊研究表明，40 Hz光闪烁通过增强初级视皮层以外脑区的伽马频率功率，在改善认知功能方面比其他频率效果更显著。然而，40 Hz感官刺激的效果尚未在其他模型中得到验证，尤其在围术期环境中的疗效仍属未知。
围术期神经认知障碍（PND）是老年患者麻醉和手术后常见的中枢神经系统并发症，其发病率随年龄增长而增加。PND与老年人认知下降轨迹加速相关，因此迫切需要有效的预防和治疗策略。鉴于PND与长期认知下降相关，感觉刺激也可能使PND患者受益。然而，目前尚无研究探索使用40 Hz光闪烁刺激来改善此背景下的认知功能。
因此，本研究旨在利用PND这一独特的神经损伤模型，更广泛地理解40 Hz刺激诱导认知改善的神经机制，并为PND治疗的临床应用提供新见解。研究重点探讨了视觉光闪烁对PND的影响及其潜在神经机制，特别是其是否能通过视皮层及视皮层以外的神经回路发挥作用，并关注视觉皮层-海马回路内活动的同步性。
2 材料与方法
2.1 动物
使用14-16月龄的老年C57BL/6J小鼠（雄性14只，雌性8只）。
2.2 麻醉与手术程序
通过单侧肾切除术建立手术诱导的认知障碍模型。小鼠用3%异氟烷诱导，1.5%异氟烷（100% O2，1 L/min）维持麻醉，手术时长20分钟，总麻醉时间2小时。
2.3 实验设置
进行了两个主要实验。实验一将小鼠随机分为五组：对照组、麻醉/手术组（A/S）、A/S+40 Hz组、A/S+随机频率光组（A/S+RL）、A/S+持续亮光组（A/S+CL）。实验二在植入慢性电极的小鼠中记录电生理指标，包括对照组、A/S组和A/S+40 Hz组。
2.4 视觉光刺激方案
手术开始时，在暗室中对小鼠进行为期1小时的光刺激。小鼠眼睑用医用眼科胶带轻轻撑开，以确保光刺激持续传递。光刺激条件分为三种：40 Hz（规则12.5 ms脉冲）、随机频率（1-80 Hz随机间隔，平均40 Hz）、持续亮光（0 Hz）。刺激参数设定为色温3000 ± 500 K，光照强度250-750 lx，以确保安全性。
2.5 行为学评估
术后通过多种行为学测试评估认知功能：
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巴恩斯迷宫（BM）测试：在术后第1、3、7、14天进行，评估空间学习与记忆。
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旷场实验（OFT）：术后第1天进行，评估自发活动与焦虑样行为。
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新物体识别（NOR）测试：评估情景记忆。
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恐惧条件化（FC）测试：评估关联性记忆。
2.6 在体电生理学
在小鼠海马齿状回（DG）和初级视皮层（V1）植入电极，记录局部场电位（LFP）。在1小时刺激期间连续记录脑电图（EEG）/LFP信号。选择最后10分钟内稳定的2分钟时段进行定量分析。计算δ（1-5 Hz）、θ（5-10 Hz）、α（10-15 Hz）、β（15-25 Hz）、γ（25-40 Hz）频段的功率谱。计算V1与DG之间的相干性。抑制定义为振幅 < 25 μV，并计算爆发抑制比率（BSR）。
2.7 统计分析
使用GraphPad Prism 8.0进行。数据以均值±标准差表示。使用Shapiro–Wilk检验正态性，使用Brown–Forsythe和Bartlett检验方差齐性。使用单因素方差分析（ANOVA，事后Tukey检验）、非配对t检验或双因素方差分析进行比较。显著性水平设为p < 0.05。
3 结果
3.1 麻醉/手术损害老年小鼠的学习与记忆
与对照组相比，A/S组小鼠在BM测试中寻找目标孔洞的潜伏期显著延长，在NOR测试中对新物体的探索时间和新/熟悉物体探索比率降低，在FC测试中的场景相关和声音提示相关的僵直行为时间显著缩短。这些结果表明麻醉和手术损害了老年小鼠多个领域的学习与记忆功能。
3.2 术中40 Hz视觉光闪烁减轻麻醉和手术后的认知功能障碍
在多种光刺激中，只有40 Hz闪烁改善了由麻醉或手术损害的认知功能。在BM测试中，与对照组和A/S+40 Hz组相比，A/S组、A/S+RL组和A/S+CL组的雄性小鼠寻找目标洞的潜伏期更长；雌性A/S组在术后1天和3天也表现出类似损害。在NOR测试中，A/S组、A/S+RL组、A/S+CL组（雄性）和A/S组（雌性）的新物体探索时间和新/熟悉物体探索比率低于对照组和A/S+40 Hz组。在FC测试中，A/S组、A/S+RL组、A/S+CL组（雄性）和A/S组（雌性）的僵直行为也显著减少。结果表明，与无光、随机频率光或持续亮光相比，40 Hz光能减轻认知功能障碍。
3.3 术中40 Hz视觉光闪烁最小化初级视皮层局部场电位抑制
LFP记录显示，与A/S组相比，A/S+40 Hz组在所有频率上均显示出更高的功率。A/S组的爆发抑制比率（BSR）和平均LFP抑制持续时间显著高于A/S+40 Hz组。术中，A/S组的场电位总功率显著低于其他组。频谱分析显示，A/S+40 Hz组在几乎所有频段的功率都有所增加，其中与认知功能直接相关的γ频段增加尤为显著。有趣的是，出现了性别特异性的频谱特征：雌性在α频段的增加特别明显，而雄性在δ频段增加更显著。总体而言，40 Hz视觉光闪烁减轻了麻醉和手术引起的视皮层脑电活动抑制。
3.4 术中40 Hz视觉光闪烁逆转初级视皮层与DG之间γ频率LFP相干性的降低
研究通过记录海马和视皮层的场电位来检查从视皮层到认知脑区的功能连接变化。在基线期，各组间所有频段的相干性无显著差异。然而，在手术期间，A/S组雄性小鼠的γ频率相干性显著下降，雌性小鼠在θ、α、β和γ多个频段的相干性也观察到类似的下降模式。A/S+40 Hz组则表现出上升趋势，其中α相干性显著增加。与基线相比，A/S组的雄性和雌性小鼠在麻醉和手术期间γ相干性显著降低，而A/S+40 Hz组的相干性在这些操作期间得以维持。进一步分析显示，在高频β/γ频段，A/S+40 Hz组相对于A/S组的相干性从基线的增加显著更大。这表明，在麻醉和手术期间应用40 Hz视觉光闪烁，减轻了γ频率脑功能连接的降低。
3.5 术中40 Hz视觉光闪烁最小化小鼠DG局部场电位抑制
在海马DG区植入LFP电极评估40 Hz光闪烁刺激对麻醉和手术期间脑电活动的影响。结果显示，A/S+40 Hz组在所有频率上显示出更高的电功率。A/S组的BSR和平均LFP抑制持续时间显著高于A/S+40 Hz组。术中，A/S组的场电位功率显著低于A/S+40 Hz组和对照组。频谱功率分析显示，手术期间，A/S+40 Hz组与A/S组相比功率呈上升趋势，尤其在γ频段观察到显著增加。这些发现表明，40 Hz视觉光闪烁在手术期间减少了麻醉和手术引起的脑活动抑制。
4 讨论
本研究探讨了40 Hz视觉光闪烁对PND的影响及其潜在神经机制。结果表明，与其他光刺激相比，1小时40 Hz光闪烁能显著改善PND小鼠在多项认知任务中的表现。先前研究已将海马γ频率损伤与认知功能障碍联系起来。本研究结果表明，40 Hz闪烁不仅逆转了视皮层和海马之间γ频率连接性的下降，还减轻了海马区域γ频率的抑制（高爆发抑制率和低功率）。
本研究选择在术中应用光闪烁刺激，旨在干预PND发病的关键时刻。手术创伤和全身麻醉暴露是引发PND的关键病理过程（如神经炎症和神经元功能障碍）的始动因素。术中刺激代表一种预防策略，通过在机制启动时进行干预，可能预防或减轻后续导致认知下降的级联反应。
尽管麻醉诱导的局部场电位抑制通常影响记忆相关脑区，但术中场电位抑制和功能连接受损是PND的重要风险因素。本研究还发现，术中光闪烁刺激显著增强了视觉-海马回路中的场电位活动，表现为各区域内γ功率的增加（表明局部同步性增强）以及区域间功能连接的恢复。然而，PND的病理机制与手术期间诱导的炎症反应更为密切相关。因此，增强的视觉光刺激可能通过减轻麻醉诱导的场电位抑制、改善区域性脑连接，共同促进术后认知功能的恢复。
在本研究中，仅仅是增加感觉输入（如持续光和随机光）并未改善术后认知功能，而40 Hz光闪烁刺激则显著增强了认知表现。40 Hz光闪烁刺激已被证明通过多种机制增强认知功能。跨脑区研究表明，γ频率相干性可以缓解神经退行性疾病早期阶段的神经元变性，改善突触功能，从而减轻认知功能障碍。术中，我们观察到视皮层和海马之间的γ功能连接显著下降，这可能导致海马γ功率的降低，或许是术中认知功能障碍的关键机制。然而，光刺激有效地逆转了这一变化，通过特异性恢复视觉-海马回路内的γ频率相干性，这可能是40 Hz光闪烁刺激改善认知功能的关键机制。
研究发现，术中40 Hz闪烁刺激能有效改善两性动物的术后认知功能，表明在行为水平上存在稳健的、性别独立的有益效果。尽管频谱分析揭示了受影响频段范围的差异，但V1和DG之间γ波段相干性的显著增强是雄性和雌性小鼠中一致且突出的发现。这些发现表明，雄性和雌性可能通过不同的频率特异性通路实现相似的认知恢复。通过有效针对这种常见的、性别独立的神经缺陷（功能连接的抑制），40 Hz光刺激在两种性别中实现了同等的认知益处。
本研究存在一些需要注意的局限性。首先，最佳刺激参数有待系统研究。其次，需要纵向研究来确定干预措施的持续疗效和时间效应。第三，未来研究需要纳入单独的麻醉对照组，以区分麻醉暴露与手术创伤对观察到的神经认知损伤以及感觉刺激保护机制的具体贡献。第四，未来研究应在同一实验批次中同时测试两种性别，以明确探讨这一变量。
总之，结果表明，40 Hz视觉光闪烁刺激（而非其他类型的光闪烁）可以通过减轻PND来改善术后认知功能。这种效应可能是通过激活视皮层，逆转视皮层和海马之间γ频率功能连接的下降，继而增加海马区域的γ振荡功率来实现的。这表明刺激增强了γ频率相干性，恢复了视觉-海马回路内的功能连接，从而改善了认知功能。这些发现为PND的预防和40 Hz诱导认知益处的神经机制提供了见解。
