综述：高精度经颅直流电刺激及其对认知功能的影响
原创综述：高精度经颅直流电刺激及其对认知功能的影响
原创
高精度经颅直流电刺激(HD-tDCS)具有局灶性，可改善高级精神功能。由于缺乏已发表的证据，本文就HD-tDCS对健康和疾病个体认知功能的影响进行综述。我们进行了电子数据和灰色文献检索，以获得该综述的相关研究。两种不同的文献检索共获得468项研究。在这些研究中，共有12项研究是关于高级心理功能的，其中，2项关于意识障碍，5项关于记忆，2项关于语言，2项关于认知，1项关于执行。共纳入9篇有对照组的研究，采用PEDro量表进行方法学质量评价。其余3项研究采用无对照组的前后对照研究质量评价工具进行质量评价。我们发现阳极HD-tDCS刺激在治疗意识障碍和改善记忆、言语、认知和执行方面显著有效。
1. 简介
经颅直流电刺激(tDCS)是一种非侵入性的脑刺激方式。这种神经调节的方法在过去的二十年里变得非常有名。tDCS的应用包括使用恒直流电对大脑进行非侵入性、非局灶性刺激。这分别通过应用阳极和阴极引起大脑的去极化或超极化。在过去的十年中，许多研究将tDCS应用于改善运动、感知和认知过程，以及治疗许多神经和精神疾病。尽管传统tDCS有效地确保了大脑调节，但使用大电极和电极在头皮上的间距会对周围和相互连接的结构造成不必要的刺激。目前尚不清楚报告的效应是由于靶区或邻近或远端结构的刺激。因此，tDCS刺激的效应在本质上是弥漫性的，或非局灶性的。考虑到传统tDCS的这一缺点，一些研究人员进一步完善了传统tDCS，并引入了4 × 1小电极的高精度tDCS (HD-tDCS)。HD-tDCS是通过5个1 × 1厘米的环形电极将直流电集中到一个独特的大脑区域。在这五个电极中，中心电极是活跃的，周围的四个电极是参考电极。可以通过改变环形电极的直径来调节皮质野的密度和焦点刺激。通过使用HD-tDCS，我们可以使用阳极或阴极对大脑结构进行局部刺激或抑制。与tDCS相比，HD-tDCS由于其更精确的皮质视野和耐受性，提供了更好的持久治疗效果。
认知功能是一个总称术语，描述了从事获取信息、操作知识和解释的心理过程。认知包括许多智力功能和过程，如记忆、注意力、感知、决策、学习、智力、判断和评价、推理和计算、解决问题和语言能力。人类认知的一个显著特征是在关注相关信息的同时，抑制无关信息的表现目标导向行为。这些适应过程统称为认知控制。这种在竞争需求背景下对认知的控制可以用认知冲突理论来解释，该理论指出，前扣带回检测到认知冲突，并激活背外侧前额叶皮质，后者反过来自动触发控制过程。
最近的两项研究显示了HD-tDCS对认知功能的迷人影响。这些研究使用HD-tDCS对120名健康成人和36名老年人进行背外侧前额叶皮层刺激。这两项研究都证明了HD-tDCS在改善健康成人和老年人认知功能方面的积极作用，并为增强认知功能打开了大门。此外，一些研究者研究了HD-tDCS对记忆、注意力和执行功能的有效性，并显示出这些认知功能的改善。
虽然有一些证据表明HD-tDCS可以改变注意力、记忆和执行功能等认知功能，但缺乏结论性的集体证据，个别研究结论也不明确。鉴于此，本文旨在全面综述HD-tDCS对正常人和患者认知功能的影响。
2. 材料和方法
我们在国际注册系统评价和荟萃分析方案平台(INPLASY)上注册了本综述的研究方案。
本综述考虑了2000—2021年发表的随机平行组和交叉设计的研究，以及先导性试验、以英语发表的研究和全文文章。以阳极HD-tDCS和阴极HD-tDCS作为治疗干预措施的研究，以及以意识、记忆、认知、言语和执行为主要测量指标的研究，被认为是本综述的纳入标准。另一方面，将tDCS作为一种治疗干预措施的研究关注的是除认知功能之外的其他方面的测量，如情绪、疼痛和感觉运动表现;这些被认为是本综述的排除标准。
其中九项研究由两名评审小组成员以物理治疗证据资料库量表进行质量评估。采用德尔菲专家共识法编制量表。总分范围为0 ~ 10分。其余3项研究采用无对照组的前后对照研究质量评价工具进行质量评价。总分为0 ~ 12分。如果评分小于50%为差，50-75%为一般，以及大于75%为质量好。
3. 结果
3.1 搜索结果
我们的搜索总共发现了468项研究;因此，我们删除了354项研究，因为它们是重复的。在剩余的114项研究中，我们进一步排除了58项与综述无关的研究。我们评估了总共56份记录的纳入标准。共44篇文章被排除在这56篇文章之外，因为它们集中在以下方面:HD-tDCS干预耳鸣(4篇)、精神疾病(9篇)、癫痫(2篇)、纤维肌痛和疼痛(6篇)、视动性眼球震颤(1篇)和神经生理研究(6篇);HD-tDCS对感觉运动表现(9)和情绪(3)的影响。此外，有4篇文章不是全文。剔除44篇文献，最终纳入12篇全文文献。我们在图1中展示了纳入研究的详细信息。在12项关于高级心理功能的研究中，有2项是关于意识障碍的，5项是关于记忆的，2项是关于语言的，2项是关于认知的，1项是关于执行的。
3.2 对纳入的RCTs进行方法学质量评价
在纳入的关于HDtDCS对记忆影响的研究中，有3项研究结果良好,一个是公平的。一项研究在无对照组的前后(Pre-Post)研究质量评估工具(quality Assessment Tool for Before-After, Pre-Post)中获得了公平的质量评级。两项研究均在良好范围内，显示了HD-tDCS对言语的影响;研究表明，HD-tDCS对认知和执行能力的影响也在良好范围内。关注意识的研究中，一项研究在无对照组的前后(Pre-Post)研究的质量评估工具中获得了中等范围的质量评级，另一项研究获得了良好范围。
3.3 HD-tDCS对意识的影响
研究设计:两项研究研究了HD-tDCS对意识的影响;两项研究均采用先导性试验设计。然而，一项研究采用了组内重复测量设计。
病因:两项研究均纳入了因创伤性脑损伤和出血导致意识障碍的参与者;在一项研究中，意识障碍的病因还包括卒中和脑缺氧。
参与者的数量和他们的特征:两项研究都包括了11名参与者，每个参与者都处于最小意识状态或植物状态。在Guo等人(2019)的研究中，意识障碍状态的持续时间为3 ~ 8个月，而在Wang等人(2020)的研究中，持续时间为40 ~ 320天。
电极放置:两项研究均根据10-20国际脑电图(Electroencephalograph)系统将阳极放置在楔前叶区域上方，并将阴极放置在阳极周围半径为3.5 cm的范围内.
刺激参数和治疗持续时间:两项研究均采用HD-tDCS刺激，电流为2 mA，每次20分钟，每天两次，连续14天。两项研究均报告了积极的结果:HDtDCS在治疗7天和14天后通过昏迷恢复修正量表测量的意识方面的行为有统计学显著的影响。Guo Y等人报道只有在7天和14天后，脑电图的δ频段相干性才出现统计学上的显著变化。然而，Wang等人(2020)的实验报告，在意识障碍的受试者中，在单次治疗、7天和14天的治疗后，通过电生理学的失匹配负波测量到了正效应。总结:来自这两个试点试验的证据表明，HD-tDCS治疗在改善意识方面具有持久的效果。然而，证据非常薄弱，因为这些试验未包括对照组，使用小样本，缺乏随机化，并且在诊断和病因之间缺乏平衡。因此，未来的研究应以大样本的随机临床试验为特征，并应分别在最小意识状态和植物状态下进行研究，以检验其长期效果。此外，还应通过fMRI等神经影像学技术探讨HD-tDCS对意识障碍的治疗效果及其机制。
3.4 HD-tDCS对记忆的影响
研究设计:5项研究中，4项是交叉试验。一项研究是基于随机平行组设计。只有两项研究采用了单盲法。除两项研究未提及参与者招募的细节。参与者仅退出了一项研究。所有研究均采用Sham HD-tDCS作为对照干预。所有研究采用的蒙太奇类型均为阳极HD-tDCS，其中阳极为有源电极，阴极为参比电极。所有研究均在不同时间段采用了不同区域的阳极HD-tDCS，包括背外侧前额叶、颞平面、左内侧颞叶、左右顶叶、顶叶内沟、背外侧前额叶+顶叶。刺激电流强度为2 mA，有3项研究的刺激时间为20 min;一项研究使用1.5 mA的强度20分钟，另一项研究使用1.5 mA的电流刺激15分钟。在阳性刺激期间，在所有研究中，作者均将电流增加30 s，并在刺激开始时和结束时各降低30 s。然而，在一项研究中，电流在刺激结束后仅10 s下降。
3.5?HD-tDCS对言语的影响
关于HD-tDCS对言语功能影响的研究有2项。其中，一项针对健康参与者，另一项针对卒中受试者。一项研究是随机交叉试验，其中对照干预措施为传统的基于海绵的tDCS (CS-tDCS)，另一项研究为假对照的受试者间双盲设计。作者使用假HD-tDCS作为对照干预。在HD-tDCS中，每个电极的电流刺激为1 mA，持续20分钟。然而，在Perceval等人(2017)中，在主动刺激过程中，强度上升和下降10 s。
3.6?HD-tDCS对认知功能的影响
有两项研究关注HD-tDCS对认知功能的影响。都采用了交叉步道设计。其中一项为单盲，另一项为双盲(。两项研究均纳入了年轻健康的参与者。两项研究均使用假HD-tDCS作为对照干预。相比之下，这些研究的治疗干预措施不同;一项研究在不同的脑区(右侧和左侧背外侧前额叶皮质、右侧和左侧初级运动皮质)中纳入了阳极HD-tDCS，另一项研究使用了阴极刺激。在一项研究中，刺激参数为1 mA持续20分钟，10 s的上升和下降;在另一项研究中，总电流强度为2 mA，在实际治疗前有30 s的上升，治疗后下降。
3.7?HD-tDCS对执行的影响
只有一项单盲随机对照试验显示了HD-tDCS对健康大学生执行力的影响。作者使用阳极HD-tDCS作为治疗干预，使用假HD-tDCS作为对照干预。治疗参数为:电流强度1.5 mA，持续20 min，治疗前30 s上升，治疗后30 s下降。
4. 讨论
文献提供了支持使用非侵入性脑刺激方法来康复由神经疾病引起的身体和认知障碍的证据。传统tDCS是一种非侵入性的增强认知功能的脑刺激方法，具有弥漫性。因此，HD-tDCS刺激在本质上进化为焦点，包括环形电极的应用。目前关于HD-tDCS改善认知功能的证据尚不明确，因此我们进行了这篇综述。在本综述中，在专注于意识的研究中，经过连续14天28次HD-tDCS刺激楔前叶区域后，修订版昏迷恢复量表的结果和通过失匹配负波评估的电生理指标均有显著改善。本综述的结果与Aloi et al.(2021)的系统综述不一致，Aloi et al.在该综述中使用tDCS治疗长期意识障碍。不同研究中采用tDCS刺激的脑区分别为左侧背外侧前额叶、小脑、右侧背外侧前额叶、后顶叶、眶额叶、双侧额顶叶。然而，最常见的是左背外侧前额叶皮质。相比之下，HD-tDCS刺激大脑楔前叶区域，而楔前叶区域在意识中起着至关重要的作用。根据默认网络连接模型，楔前叶是大脑在有意识静息状态下最活跃的皮质区域。HD-tDCS刺激楔前叶可有效改变该区域的代谢，从而改善意识。HD-tDCS刺激是局灶性的，具有更高的空间准确性，有助于意识的改善。
在我们的综述中，有5项研究聚焦于HD-tDCS改善记忆的效果。5项研究均采用阳极HD-tDCS治疗不同脑区，如左背外侧前额叶皮质、前颞叶、顶内沟和前颞叶。四项研究证明了阳极HD-tDCS在改善工作记忆、皮质反应性和正确反应的反应时间方面的显著效果。左侧背外侧前额叶皮质HD-tDCS刺激组的上述结局均得到改善。Siegert等人(2021)的综述也表明，tDCS刺激左侧背外侧前额叶皮质可显著改善工作记忆，并减缓老年人认知恶化的进程。由于左背外侧前额叶皮层在工作记忆等认知功能中起主导作用，使用HD-tDCS局灶性刺激左背外侧前额叶皮层可能上调该区域的活动。两项研究显示了HD-tDCS对言语功能的影响。在这项研究中，Richardson J应用HD-tDCS刺激作为治疗干预，并将常规tDCS作为对不同解剖部位病变的对照干预。"对8名卒中受试者进行5周的命名障碍计算机治疗和两种治疗联合治疗，结果显示两种刺激均能提高命名准确性和反应时间。"此外，与常规tDCS相比，HD-tDCS刺激改善了训练项目准确性的变化，这在统计学上不显著。这可能是由于参与者解剖病变的异质性和较小的样本量。另一项由Perceval等人(2017)对50名健康成人进行的研究也聚焦于语音，该研究通过在左侧颞顶叶皮层上使用有活性电极进行一次HD-tDCS刺激，结果表明，在识别阶段，参与者检索正确的单词-图片关联的速度和准确性有统计学上的显著提高。然而，由于该领域的研究数量较少，且存在两个异质性研究，我们无法将其与tDCS对原发性进行性失语影响的综述进行比较。在这篇综述中，两项研究显示了HD-tDCS单次治疗对健康参与者认知表现的影响。Gbadyean等将阳极HD-tDCS应用于四组的双侧背外侧前额叶皮质和初级运动皮质。他们证明，视觉flanker测试的反应时间有统计学上的显著改善，视觉flanker测试评估背外侧前额叶皮层组刺激的认知适应。这可能与初级运动皮层是运动指令的来源，DLPFC参与认知控制加工有关。上述解释是DLPFC刺激组结局显著改善的原因。Maldonado等在小脑后部应用了阴极HD-tDCS，并指出在认知范式测试中，反应时间、准确性或Stroop效应没有显著改善。这可能是由于双侧后小脑参与认知处理。作者采用阴极HD-tDCS刺激右侧小脑后叶，如果能同时刺激双侧小脑后叶，认知范式测试结果将有显著改善。
在我们的综述中，Lu H等人进行了一项研究，在背外侧前额叶皮层上应用了重复的阳极HD-tDCS，并表明在认知灵活性部分有显著改善。功能近红外光谱分析显示，Stroop效应引起血流动力学改变。认知灵活性是执行功能的核心组成部分，而背外侧前额叶皮层的激活改变和重复HD-tDCS刺激引起的神经可塑性调节可增强认知灵活性。在HD-tDCS治疗意识障碍的研究中，仅进行了先导性试验。这些试验的样本量小，纳入了患有混合型意识障碍的参与者。建议未来的研究包括更大的样本量、随机对照试验和意识障碍参与者的均匀分布。所有关于HD-tDCS效应对记忆影响的研究都招募了健康参与者，并且大多数是交叉试验。建议未来的研究包括使用随机对照试验，考虑痴呆患者人群来制定有效的刺激方案和确定解剖部位的有效刺激方法，通过它来改善这一患者群体的记忆。
关于HD-tDCS效应对言语影响的研究较少。这些研究纳入的卒中受试者样本量较小，由于存在不同的病变，刺激部位也不同。未来需要开展更多更大样本量的研究。此外，目前缺乏HD-tDCS对患者人群认知和执行能力影响的研究。建议未来的研究包括对认知障碍患者进行研究，以确定有效的刺激方案。最后，目前还缺乏使用神经生理学结果如功能MRI和PET扫描来确定受刺激脑区的神经可塑性变化的研究。本综述的一个局限性是我们将随机研究与受试者内研究设计和受试者间研究设计相结合。这篇综述聚焦于许多认知功能;最好关注单一的认知功能。此外，我们将单次治疗的研究与多次治疗的研究以及不同治疗参数的研究相结合。
5.?结论
我们认为，有中等程度的证据表明，通过阳极HD-tDCS刺激可以改善高级认知功能，如意识、记忆、言语、认知和执行功能。
参考文献：High-definition trans cranial direct current stimulation and its effects on cognitive function: a systematic review.
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