EEG振荡：从相关到因果_大脑振荡传递计算

调制大脑振荡可以证明它们对认知的因果作用。

·我们重点介绍了几种有选择地调节神经振荡的方法。

·在经颅交流电刺激(tACS)过程中，可以对EEG进行分析。

摘要

Berger在1929年发现人类EEG的第一份报告中，就对进一步阐明alpha波和beta波在正常精神活动中的功能作用表现出极大的兴趣。与此同时，大多数认知过程都与delta, theta, alpha, beta,和gamma范围内的至少一个传统频段有关。尽管现有的丰富的高质量相关EEG数据使许多研究人员相信，大脑振荡有助于各种感觉和认知过程，但只有直接调制这些振荡信号，才能证明因果作用。本文重点介绍了几种选择性调节神经元振荡的方法，包括EEG-神经反馈、节律性感觉刺激、重复经颅磁刺激(rTMS)和经颅交流电刺激(tACS)。特别是，我们讨论了tACS作为直接调节脑部振荡活动的最新技术。这类证明tACS有效性的研究包括纯行为或纯电生理效应、行为效应与离线EEG测量的结合或同步(在线)tACS-EEG记录的报告。虽然大多数tACS研究的目的是调节特定频率下正在进行的节律性大脑活动，但最近的证据表明，tACS也可能调节跨频率的相互作用。综上所述，神经元振荡的调节可以证明大脑振荡和认知过程之间的因果联系，并获得对人类大脑功能的重要见解。本文发表在International Journal of Psychophysiology杂志。

关键词：神经元夹带；大脑振荡；EEG；经颅交流电刺激（tACS）；重复经颅磁刺激（rTMS）

1.引言

1.1.EEG振荡的发现

1929年，德国精神病学家Hans Berger在他发表的关于人类EEG的第一篇论文中报告说，当他通过适当的电极将灵敏的电流计连接到放松仰卧姿势的被试头部时，他能够记录到连续和规律的电位变化。在比较了不同类型的电极和电极位置的结果，并与可能的血管、肌肉或心脏伪影进行了各种对照实验后，Berger最终得出结论：“事实上，我相信我已经发现了人类的EEG，并首次发表了它”。然后，他将EEG描述为一条持续不断的波动曲线，从中可以辨别出两种类型的波。第一阶为较大的波，平均持续时间为90ms(图1)，第二阶为较小的波，平均持续时间为35ms，较大的波最多有0.00015–0.0002V的偏转(Berger, 1929)。尽管在他的第二份报告中，Berger (1930)将较大的波命名为“alpha波”，将较小的波称为“beta波”，但他最初使用的术语是“一阶/二阶波”，他指的是Práwdicz-Nminski (1925)的工作，后者曾将类似的节律描述为11–15Hz的一阶波和20–32Hz的二阶波，称为哺乳动物的“Elektrocerebrogamm ”。然而，Berger (1929)并没有采用“Elektrocerebrogamm”这个术语，因为出于语言学的原因，他认为希腊语和拉丁语成分的混合是粗糙的，因此他提出了“Elektrenkephalogramm” (electroencephalogram)这个术语来表示他第一次在人类中发现并描述的信号。

图1. Berger记录的EEG。alpha节律(上)与心电图ECG(中)和作为时间基准的10Hz正弦波(下)一起描绘。注意在箭头A、B、C和D位置处具有最大值的alpha节律的起伏。Berger测量到alpha活动的最大幅度相隔大约1到3秒(如箭头之间的数字所示，图中为2.1、2.4和2.5秒)。这种快频振荡(10Hz)的慢频调制(约0.3至1Hz)代表一种现在称为交叉频率耦合的现象，并将在下面讨论。

Berger (1929)在他的第一份报告的最后几页专门讨论了EEG起源于大脑的什么地方，以及这两种不同的波形可能反映了什么样的过程。从这些页面可以清楚地看出，Berger对EEG的主要兴趣不仅仅是它的临床应用，还包括是否有可能证明智力活动对EEG的影响，即寻找认知过程的生理关联。在这方面，Berger提到了对他儿子Klaus的一些初步实验，这些实验使他产生了这样的想法，即紧张的精神努力和集中的注意力会导致更小和更短的波占优势，这就是现在所说的alpha阻断。不过，他强调，在得出这个问题的最终结论之前，有必要进行更多的实验，他希望将来能够就这一具体问题提出报告。继他1929年的第一份报告之后，Berger又按数字顺序发表了13篇“Über das Elektrenkephalogramm des Menschen”(关于人类EEG)的报告直到1938年，并反复回到注意力和精神活动如何影响EEG的问题上。直到1934年，也就是Berger发现人类EEG五年后，他的工作才得到科学界应有的认可，但这只是因为著名的英国神经生理学家E.D.Adrian重复了他的主要发现。正如Adrian和Matthews (1934)指出的那样，他们重复Berger的工作的动机来自于很难将人类alpha节律的规律性与先前的结果(包括他们自己的结果)相协调，这些结果来自动物的大脑皮层研究，这些皮层显示出不太规律的潜在变化，大多缺乏持续的10hz节奏。尽管他们持怀疑态度，但Adrian和Matthews (1934)不得不声明：“在最初的一段时间的犹豫之后，结果让我们满意，Berger描述的潜在的波确实出现在大脑皮层，并表明它们可以用一种与动物实验结果不冲突的方式来解释”(p. 356)。然而，关于alpha波的来源和功能仍然存在异议。

Berger (1935)认为EEG来自大脑皮层的任何地方，代表了与心理物理过程相关的基本大脑功能，其中注意力是最重要的功能，而Adrian和Matthews (1934)则支持与视觉有关的枕部起源的观点。有趣的是，为了进一步支持与视觉相关的“Berger节律”来自枕区，Adrian和Matthews (1934)发现“……非10Hz的频率波可以由闪烁引起”(p. 377)。当被试暴露在频率高达25Hz的闪烁光中时，作者从枕叶记录了EEG，从而首次记录了稳态视觉诱发电位。当闪烁频率被调整到alpha频率时，“……EEG波可能会变得非常规则，并可能持续许多分钟，而不会出现通常的大小起伏”(p. 380)。这种反应类似于Walter等人(1946)后来所描述的对闪烁光有“明显”反应的“共振”频率。在Adrian和Matthews成功确认Berger的工作后不久，EEG就成为最受欢迎的实验室课题之一，许多EEG中心出现在欧洲和美国(Stone和Hughes, 2013)。虽然早期的大部分EEG研究致力于进一步表征各种正常和异常条件和人群中的alpha节律(Walter综述, 1938)，但一些研究人员也对20–30Hz范围内较快振荡的功能作用感兴趣。Berger曾将这些beta波描述为叠加在alpha节律上，但许多人认为它们是肌肉活动产生的伪迹。然而，Jaspers和Andrews (1938)证明了beta节律的皮层来源独立于alpha波的来源，即主要发现于感觉-运动脑区。他们还描述了50Hz左右这种更快的波，他们首次引入了术语“gamma节律”，尽管没有讨论它们可能的相关性。Dietsch (1932)在Berger的催促下，将傅里叶分析应用于EEG记录中，已经报道了频率范围在10Hz和50Hz之间的EEG频率成分。Rohracher (1935)描述了高达1000Hz的更高频率，这些频率与算术或拼写等不同类型的精神活动有关。Alpha节律以下的慢波theta(4–7.5Hz)和delta(0–3.5Hz)首先由Walter (1936)报道，他建议将脑肿瘤定位中的异常节律命名为“delta波”。然而，与最初对EEG揭示正常精神活动的生理关联的热情不同，EEG的主要应用被证明仅限于临床诊断。在20世纪50年代到70年代，alpha节律的皮层起源受到了几位研究人员的质疑，因为解开脑波产生的基本神经机制仍然存在困难(Shaw, 2003)。在20世纪60年代，EEG的研究开始以事件相关电位(ERPs)分析为主，认为大脑对感觉或认知事件的反应的背景EEG是“噪声”，必须从噪声中滤除。虽然在20世纪70年代，只有少数电生理学家认为EEG振荡是一种重要的大脑信号，但一些值得注意的例外是Freeman (1975)在兔子嗅球上进行的与gamma波段相关的开创性研究，以及BaşAr和他的同事在猫(BaşAr, 1972)和人脑(BaşAr等人, 1976)中进行的听觉“40Hz响应”的开创性研究。在20世纪80年代末Gray和Singer (1987)以及Eckhorn等人(1988)在细胞水平记录到的gamma同步振荡及其对视觉特征整合的假定作用的开创性工作的启发下，研究者对振荡脑活动进行了戏剧性的重新思考。然而，在20世纪90年代，随着alpha节律的复兴，人们对其他频率的振荡重新产生了相应的兴趣，正如1994年关于“大脑中的alpha过程”的会议和关于alpha活动的功能相关性的相关特刊(Başar等人, 1997)所表明的那样。具有各种发生器和不同功能的“扩散和分布式alpha系统”的概念已经扩展到大脑的其他频率，如Başar等人(2001)所综述的delta、theta和gamma振荡。根据BaşAr, 1998，BaşAr, 1999的观点，EEG不应被视为背景噪声或皮层空转，而应被视为大脑的一个重要信号，不同的振荡系统协同作用，控制所有感觉和认知水平的大脑综合功能。

1.2.EEG振荡与认知过程的关系

随着时间的推移，几乎每个认知过程都与事件相关的EEG振荡有关。然而，与五个不同的通常的频段(delta、theta、alpha、beta和gamma)相比，还有更多不同的认知过程。因此，显然我们不能在认知过程和EEG振荡之间建立1:1的映射关系。更有可能的是，EEG振荡对不同的认知功能有不同的贡献，这取决于它们在大脑中的位置以及它们发生的参数(幅度、频率、相位、相干性)。四个重要的假设支持这一概念：

1.不同的大脑区域可能执行不同但特定的功能——这一概念可以追溯到不同的神经元结构意味着不同的功能(Brodmann, 1909)。

2.低频率的EEG振荡可能代表了大脑中大规模神经元网络的协同活动，而高频振荡可能主要反映了局部神经元群体的活动——这一现象导致了EEG频谱中观察到的1/f振幅特征(Singer, 1993)。

3.两个较远脑区的EEG振荡的相干可能反映了这两个区域的功能协作(Siegel等人, 2012)。

4.结合假设2和3，有人提出，临近皮层区域之间的协作可能反映为高频振荡的相干，而较远脑区的协作可能需要低频振荡的相干(von Stein和Sarnthein, 2000)。在后续中，我们将简要概述关于事件相关EEG振荡和认知过程之间联系的文章。我们将按升序讨论频段，并将重点放在经常重复并被广泛接受的关键概念上。

1.2.1.Delta振荡

与事件相关的delta活动最显著的认知关联是在一系列干扰或no-go刺激中检测目标或go刺激。当被试处理这种需要注意资源的刺激时，ERP显示出一个所谓的P3，它主要由delta和theta振荡组成。delta振荡的来源通常在额叶和扣带回皮质，并且与低频振荡一致，它们跨越了相当广泛的神经网络区域——可能是以一种抑制的方式。这一假设与注意力等认知过程中的作用是一致的，因为注意一个刺激或位置可以通过抑制其他刺激或位置来实现。

1.2.2.Theta振荡

人类的EEG theta振荡通常与记忆过程有关(Klimesch, 1999)。人们一直认为，皮层theta振荡反映了与海马的通信——海马是已知的提供记忆功能并在theta范围内表现出振荡的区域。此外，在执行功能的功能抑制期间观察到人类EEG theta活动。在后一种情况下，theta振荡主要在额叶皮质观察到，通常通过抑制来调节其他大脑结构。Colgin (2013)对theta节律的机制和功能进行了综述。

1.2.3.Alpha振荡EEG alpha振荡在感觉刺激过程中受到调制。此外，它们反映了记忆和注意力过程。alpha振荡与认知表现呈负相关，因此alpha振荡可能表明了对任务无关大脑皮层结构的抑制。由于振荡非常适合作为起搏器(pacemakers)，最近的一项假设表明，抑制和计时timing这两个功能可能是认知功能的基本组成部分，既需要抑制，也需要选择。BaşAr (2012)发表了一篇关于alpha活动的功能作用和生理基础的批判性综述。

1.2.4.Beta振荡

人类EEG beta振荡的调制主要是在被试执行运动任务时观察到的。有趣的是，在需要感觉运动相互作用的认知任务中beta振荡也会受到调制。一项整合了运动和认知过程各方面的假说表明，beta活动反映了当前的感觉运动状态是否有望保持稳定或在适当的时候发生变化。

1.2.5.Gamma振荡

虽然许多低频振荡与功能抑制有关，但更快的gamma波段振荡被认为反映了大脑皮层的激活。根据准确的大脑皮层区域，gamma振荡与信息的注意加工、记忆内容的主动维持和意识感知密切相关。

1.3.大脑振荡的调制

过去，研究人员主要研究参与者在某些认知过程中的脑部振荡活动。因此，实验操作涉及认知过程(自变量)和生理测量，如EEG振荡(因变量)。调节大脑振荡的方法通过操纵大脑振荡(自变量)和寻找认知过程中的变化(因变量)来逆转这一过程。这为证明EEG振荡是认知过程的原因提供了有利条件。原则上，神经科学中至少有5种方法可以调节EEG振荡：1)通过药理学(pharmacology)调节；2)节律性感觉刺激/稳态诱发电位；3)EEG-神经反馈；4)重复经颅磁刺激(rTMS)；5)经颅交流刺激(tACS)。这里，我们不考虑药理学干预，因为它们本身就代表了一个广阔的领域。相反，我们将特别关注tACS，因为它是最新的发现，代表了一种廉价的非侵入性技术，预计将在未来引起相当大的兴趣。不过，我们将首先简要介绍更成熟的方法。

2.成熟的调制EEG振荡的方法

2.1.节律性感觉刺激/稳态诱发电位

每当一个感觉刺激被重复呈现时(视觉示例见图2)，就会在人类EEG中引发所谓的稳态诱发电位(SSEP)。它可以在很宽的频率范围内工作，即1–100Hz。有趣的是，SSEP揭示的共振频率类似于与认知加工相关的EEG频率，即主导ERP的频率。如果大脑是一个线性系统，对单个刺激(脉冲反应)的反应将显示出与在稳态模式下用多个频率驱动系统相同的频率峰值——所谓的频率响应。虽然大脑不是一个线性系统，但这种简化已经成功地用于从ERPs中预测SSVEPs。SSEPs和ERPs的共振峰之间的密切关系表明，在特定的共振频率下用感觉刺激驱动EEG可能会增强该频率下的振荡幅度，进而可能会增强ERP中的该频率以及与该频率相关的认知过程。在下面，我们将回顾已经证明了这种关系的研究。

图2. SSEP研究期间重复感觉刺激。这里，通过光缆显示了视觉刺激。同时，EEG通常用32或64个电极记录。

例如，Kanizsa图形被用来研究通过感官驱动干扰知觉的可能性。Kanizsa图形由多个诱导元素组成，当各个诱导元素结合在一起时，会产生例如一个正方形的感觉——这一现象被用来检验gamma振荡对特征整合过程重要的假设。Elliott和他的同事在时间上及时分别呈现一个图形的各个部分，这样参与者的视觉感知就是一个闪烁的图形。由于每个单独诱导器的呈现时间为25ms，因此闪烁频率为40Hz。在一些试验中，闪烁的图形包含一个类似Kanizsa的正方形(启动物prime)。在闪烁的刺激之后，呈现了一个稳定的刺激(目标)，参与者必须指出这个目标是否包含一个类似Kanizsa的正方形。在闪烁刺激中出现启动物的情况下，诱发的40Hz振荡与反应时间的加快呈显著相关。这表明，在特定频率下的感觉驱动不仅可以增强振荡EEG活动，而且还可以增强认知处理。

另一项研究试图开拓alpha振荡与记忆过程相关的发现。Williams和他的同事在电脑屏幕上以三种不同的频率闪烁识别记忆实验的视觉材料。在10Hz的闪烁频率下，参与者表现出比8.7Hz和11.7Hz更好的记忆表现。在随后的一项研究中，作者将这一范例扩展到老年人，将发光二极管(LEDs)放置在电脑屏幕上，让它们以不同的频率闪烁，同时让被试在电脑屏幕上执行视觉记忆任务。当闪烁频率在10Hz左右时，老年被试的表现几乎与年轻对照组一样好。而在较高或较低频率下，表现较差。这表明，与记忆过程相关的频率的感觉刺激确实可以增强这些过程。

重复刺激不仅导致频率特定(frequency-specific)的SSEPs，而且导致频率特定的知觉现象，一个非常突出的例子是所谓的闪烁颤振错觉(flicker flutter illusion)。如果一个声音和一个闪光(flash)都是重复呈现的，但重复频率不同，观察者倾向于以声音的重复频率感知闪光序列。对于短的声音序列，甚至可以在没有视觉刺激的情况下实现虚幻的闪光感知。

此外，重复的感觉刺激被认为会导致神经振荡的夹带，从而导致夹带的振荡在刺激结束后持续几个周期。即使在刺激结束后，这种夹带的振荡也会影响认知过程。

节律性感觉刺激的一个优点是它的成本低，而且可以正弦驱动感觉皮层，导致大脑只有一个频率的反应。然而，缺点在于它仅限于感觉皮层。

2.2. EEG-神经反馈

一种非常有趣的方法是将EEG振荡可视化，以使它们变得容易理解。当参与者收到关于他们大脑活动参数的信息时，他们能够上调或下调它们——这一现象被称为神经反馈(图3)。通过神经反馈调节大脑活动已被证明可以影响各种认知过程。然而，有人批评说，许多作者只证明了增强的认知功能，而没有显示对EEG振荡的影响。因此，随后的研究既报告了EEG活动的调节，也报道了认知功能的增强。

图3. EEG-神经反馈。为了让被试学习如何控制他们的EEG参数，必须可视化这个参数并反馈给被试。通常，只有32或64个电极的子集用于此目的。在这里，来自几个额中线电极的theta振幅通过计算机屏幕反馈。红色或蓝色方块分别表示与基线相比theta振幅的增加或减少。神经反馈的优势在于，被试可以学习调节他们的大脑活动，随后也可以在实验室或临床之外使用这项技能。然而，神经反馈代表了一种必须由参与者学习的内源性技术——这一方法并不适用于所有被试。因此，神经反馈的大多数研究都报告无反应者。似乎可以假设，这里描述的采用外源性刺激技术的其他机制可能适合于调节那些无反应者的EEG振荡。

2.3.重复经颅磁刺激

重复经颅磁刺激(rTMS,图4)已被证明对认知功能有不同的影响，这取决于刺激的频率。1Hz或更低的慢重复频率会导致皮层兴奋性的降低，而20Hz或更高的重复频率会增加皮层的兴奋。这些现象的生理机制当时还不清楚，EEG的使用随后为潜在机制提供了新的认识。最近的研究结果表明，有节奏的磁脉冲会像感官刺激一样影响大脑活动。有趣的是，rTMS诱发的EEG振荡持续时间超过刺激终止(offset)，这表明确实存在振荡。基于这一假设，alpha频率范围内的rTMS已被用于证明EEG alpha振荡对视觉感知的因果作用。同样，它们在记忆过程中的作用也得到了证实。最近的两篇评论(Thut等人, 2012，Thut和Miniussi, 2009)很好地总结了这个主题。

图4.经颅磁刺激(TMS)。TMS通过一个通常呈8字形的线圈向人头传递一个或多个磁脉冲。磁场通过头骨，并诱导与神经活动相互作用的电流。在这里，被试在受到刺激的同时正在执行屏幕上的一项任务。rTMS的优点是，它可以以兴奋性或抑制性的方式使用，它代表了一种阈上刺激技术，即可以直接引起(elicit)神经spikes和相关的肌肉颤搐(twitch)或视觉光幻视（phosphenes）。TMS的缺点是设备成本高，与其操作相关的高声音响度水平，以及重复的脉冲序列不是正弦的事实，因此导致大脑反应跨越许多频率。

3.调制EEG振荡的最新方法：经颅交流电刺激

虽然rTMS依赖于直接刺激神经元的磁脉冲，但还有另一组非侵入性脑刺激技术，其特点是电刺激(图5)，包括经颅随机噪声刺激(tRNS)、经颅直流电刺激(tDCS)、tDCS(otDCS)和经颅交流电刺激(tACS)。通过otDCS或tACS施加正弦电流的目的是在施加电流的频率上直接调制正在进行的有节律性大脑活动。然而，网络模拟表明，在刺激频率的谐波和次谐波处也会产生刺激效应。此外，由于tACS被认为是通过夹带大脑振荡起作用的，所以在应用tACS的频率上必须存在振荡——否则它可能没有作用。

图5.经颅电刺激(TES)。TES将电流直接传递到人的头皮，其中一些电流穿过头骨并与神经活动相互作用。至少使用了两个电极：阳极(头部顶部的红色电极)和阴极(头部后部的蓝色电极)。

tACS的有效性已经在不同的方法中得到证明，从纯电生理或纯行为效应到离线EEG记录的电生理和行为联合效应再到同时(在线)tACS-EEG记录。尽管纯粹的生理学研究(3.1节)有助于研究所提出的tACS效应背后的电生理机制，即通过外部正弦电流夹带自发大脑振荡，但它们并不能直接证明夹带的大脑振荡的功能相关性。另一方面，纯行为研究(第3.2节)证明了tACS对运动、感觉或认知过程的影响，但缺乏同时存在EEG效应的证据。这些研究选择特定刺激频率的理论基础通常是基于先前相关EEG实验所获得的行为-振荡关系，例如运动过程和beta-振荡之间的联系。鉴于频率特定性已被证明，即对于与所研究的行为无关的频率为零效应，该方法允许推断所施加的频率对该特定行为的因果作用，尽管关于潜在电生理过程的证据仍然是间接的。因此，使用tACS/EEG联合测量(第3.3节)的研究设计是可取的，因为它们原则上允许直接将观察到的tACS-诱导的行为效应与EEG振荡活动的同步变化联系起来。然而，由于tACS引起的强烈伪影，在大多数研究中，EEG必须离线记录刺激，而在线记录是必要的，以便明确地建立神经夹带。因此，即使在目前的tACS/EEG联合记录中，夹带的电生理学证据也仅限于比较刺激前和刺激后的数据。直到最近，才第一次成功地尝试纠正在线脑电图记录中的tACS伪影(第3.4节)。

3.1.tACS的电生理效应

Fröhlich和McCormick (2010)通过同时记录颅内刺激皮层时的局部场电位（LFPs）和多单位活动(MUA)的动物研究，在理解tACS的生理基础方面取得了重要进展。这些作者在体内证明了MUAs和LFPs与tACS波形的同步性。随后在体外用弱交流电刺激大脑皮层切片，结果显示自发活动的脉冲间(inter-burst)频率与刺激频率具有类似的同步性。后者的发现有力地表明了神经元夹带。Reato等人(2013)对体外(vitro)和体内(vivo)动物研究揭示的tACS机制进行了综述。Zaehle及其同事报告了tACS对人类的夹带效应的第一个电生理学证据，他们以单独的alpha频率刺激参与者，并能够证明在tACS后离线EEG中的alpha波段功率有所增强，但在伪刺激(sham stimulation)后却没有。这些发现最近得到了重复，研究表明刺激后效应在刺激结束后至少持续了30分钟。

3.2.tACS的行为效应

tACS的有效性已经通过揭示视觉和触觉的频率依赖性结果而得到证明。Kanai等人(2008)通过将tACS应用于枕叶皮质，能够以一种频率依赖的方式诱导视觉感觉(光幻视)。然而，关于tACS诱导的光幻视诱导是否起源于皮质或视网膜仍存在争议(参见Herrmann等人，2013年的综述)。Feurra等人(2011)在初级体感皮层上以不同的频率传递tACS，发现在alpha、beta和高gamma频率范围内的刺激会引起触觉感觉，而其他频率则不会产生感知效应。Laczóet等人(2012)将40、60和80Hz的tACS应用于视皮层，发现只有在60Hz的刺激下，对比感知才会增加。虽然这些研究都能够证明tACS的频率特定感知结果，但这种结果模式也不是没有例外(Brignani等人, 2013)。tACS对运动行为的影响也有研究。Joundi等人(2012)报告说，使用go/no-go任务时，在20Hz的tACS期间，随意运动(voluntary movement)的速度会减慢，而在go试次中，70Hz的gamma tACS可以提高表现。在一项手指敲击任务中，Wach等人(2013a)还发现，使用20Hz的tACS时，运动速度会减慢，但在10Hz刺激后，运动变异性(movement variability)会增加。除了tACS对知觉和运动功能的影响外，还有一些关于刺激对高阶认知过程的影响的报道。据报道，频率特定的操作调制与流体智力(fluid intelligence)有关，与theta、alpha和beta频率的刺激相比，gamma(40Hz) tACS期间视觉空间抽象推理任务的解决时间更短。据描述，在左侧额叶和顶叶区域进行同相刺激时，6Hz tACS(但不是35Hz)的工作记忆任务中的反应时间减少。JaušOVEC等人(2014)还研究了theta tACS在工作记忆中额叶和顶叶脑区的作用，发现刺激左右顶叶而不是左侧额叶区域可以增强存储容量。因此，这项研究证明了脑区特异性，但没有解决频率特异性问题。同样，Sela等人(2012)将他们的分析局限于theta tACS的脑区效应，表明刺激左侧背外侧前额叶皮质比刺激右侧背外侧前额叶皮质会导致更高风险的决策。

3.3.行为和电生理联合效应(离线EEG记录)

tACS对各种运动、知觉和认知功能的行为和电生理联合效应已被研究。在关于tACS诱导的运动功能调制的首次探索性研究中，Antal等人(2008)在不同频率(1、10、15、30和45Hz)下应用tACS，并记录了tACS前后的EEG。结果显示，运动技能的内隐学习(implicit motor learning)仅在10Hz时得到改善，在任何刺激频率下都没有EEG效应。在一项tACS/MEG的联合研究中，Wach等人(2013b)分析了10Hz和20Hz tACS在前臂等长收缩过程中对几个频段的皮质-肌肉(corticomuscular )相干性和运动皮质振荡活动的影响。在左侧初级运动皮质应用tACS的前后记录MEG，结果显示，10Hz tACS会导致gamma(30–45Hz)波的皮质-肌肉相干性降低。tACS还被应用于gamma频段，以调制对双稳态运动的感知。以前的研究表明，这种类型的运动感知依赖于该频带内的半球间相干性的变化。应用40Hz的tACS提高了gamma频段的半球间相干性，并导致双稳态感知的偏差(bias)。此外，听觉感知也被证明受到tACS的调节。当10Hz正弦电流施加到听觉皮层时，它以正弦方式调制接近阈值的感知(near-threshold perception)，这表明不仅刺激的幅度和频率重要，而且相位也很重要。本研究同时复制了EEG alpha波幅的增强，表明10Hz的tACS在生理上是有效的。睡眠相关振荡对记忆巩固的作用已经在delta频率下使用otDCS进行了研究。作者能够证明，他们的刺激方案增强了睡眠期间的EEG delta活动，并导致了第二天早上回忆记忆项目时的表现得到改善。最近，Jaušovec和Jaušovec (2014)通过在左侧顶叶或左侧额叶施加单个theta频率的tACS，评估了theta振荡对工作记忆的作用。刺激结束后，在被试完成一项工作记忆任务时记录EEG。结果显示，左顶叶tACS可提高工作记忆容量，缩短P300潜伏期，而左额叶tACS则不起作用。

3.4.行为和电生理联合效应(在线EEG记录)

到目前为止，所提到的研究只调查了tACS对人类EEG的离线影响，因为电刺激引起了EEG电极中的严重伪影，这是由于刺激电极和EEG电极通过头皮进行导电连接所致。绕过这个问题的一种方法是记录另一个不受刺激污染的生理信号。Pogosyan等人(2009)使用了这种方法。他们计算了未被tACS污染的手指肌肉的肌电图(EMG)活动与同时包含20Hz tACS信号伪影的头皮记录活动之间的相干性。这导致了在运动开始(onset)前短暂的20Hz的相干峰值，并导致运动减慢。这些发现表明，beta频率范围内的EEG振荡与动作的执行有因果关系。另一种方法是将EEG同时记录到tACS，并将EEG和tACS伪影分离。Helfrich等人(2014)最近证明了这一点，他们从多个相邻秒估计了tACS伪影的模板，将其缩放到每个数据段，并从受污染的EEG信号中减去它——这是先前开发的一种方法，用于在fMRI期间记录EEG时消除所谓的梯度伪影。在此初始步骤之后，残留伪影仍留在EEG中，随后通过独立成分分析(ICA)将其移除。该方法允许在tACS期间分析EEG(参见图6)。这项研究再次重复了这一发现，即10Hz的tACS增强了alpha波段的EEG振幅。此外，它还表明，在刺激过程中，EEG频谱已经增强。有趣的是，alpha波段的峰值在频率上变得更窄，这表明低于和高于10Hz的被试的个体alpha频率向10Hz移动，正如预期的振荡夹带一样。

图6. 10Hz tACS期间alpha功率的变化。

A：在伪刺激期间，不同条件下EEG频谱中的alpha幅度没有显著差异。

B：当应用10Hz的tACS 时，与刺激开始前(橙色，Pre)相比，在刺激期间alpha振幅已经增强(灰色，ISI)。这种增强会持续到刺激结束后(绿色，Post)。请注意，灰色不仅振幅升高，而且alpha峰在频率上也更尖锐。

C：在伪刺激中，alpha活动首先由于视觉刺激的呈现而降低。在实验过程中，alpha活动增加，可能反映了警觉性的降低。

D：随着10Hz tACS的开始，alpha活动增加，并在刺激结束后保持升高。

4.结论

从EEG研究一开始，振荡性大脑活动就是研究者关注的焦点。早期的工作研究了这些振荡的生理基础。后来的工作揭示了EEG振荡与认知功能的重要关联。大脑振荡的实验调制证明振荡与认知过程的关系本质上是因果关系。然而，我们不是在一个历史发展的尽头，而是在一个持续的过程中。大脑振荡与认知功能的1:1映射是不可能的。相反，振荡性大脑活动的功能取决于参与振荡的大脑结构。最近，不同频率的多个振荡的相互作用重新引起人们的关注。例如，有人假设，能够成功储存在工作记忆中的项目的极限(大约7个)是由theta与gamma频率中涉及的大脑振荡的比率(大约1:7)决定的；即项目的数量由适合于一个theta周期的gamma周期的数量决定。多项电生理学研究能够证明人体中theta和gamma振荡的交叉频率耦合。Canolty和Knight (2010)及Jensen和Colgin (2007)对交叉频率耦合进行了很好的综述。正如Berger在1938年已经注意到的那样，人类的alpha节律是由一种较慢的振荡所调制的。最近，可以证明alpha节律反过来调节更快的gamma节律。重要的是，alpha-gamma相互作用在认知任务中受到调制。迄今为止，这种交叉频率相互作用的方向性还不确定。例如，如果gamma振荡反映的是高兴奋性状态，那么它们在确定正在处理什么的过程中起着“主过程master process ”的作用——然而，如果gamma振荡的幅度是由theta振荡的相位决定的，那么gamma振荡就受制于theta。上述刺激技术为研究这一问题和类似问题提供了一种新的工具。人们可以调制一种大脑振荡，并分析对另一种振荡的影响，反之亦然，这可能揭示了一种方向性的影响。有证据表明，gamma频率范围内的tACS向下调制alpha频率范围内的振幅，反之亦然。虽然这两项研究没有解决方向性问题，但它们表明跨频率研究对于tACS是可行的。因此，我们相信，Hans Berger在20世纪20年代开始的对大脑振荡的研究将继续揭示对人类大脑功能的重要见解。

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