【背景介紹】

從上世紀(jì)60、70年代起，通過非侵入性腦刺激 (NIBS) 技術(shù)，應(yīng)用于特定頭皮或多個(gè)腦回路，已被證明可用于改善與認(rèn)知相關(guān)的能力。

通過使用MRI(核磁共振成像)、EEG(腦電圖)、ERP(事件相關(guān)電位)等方法檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)使用NIBS干預(yù)以后，人們認(rèn)知能力提高，和神經(jīng)生理學(xué)變化相關(guān)，包括與認(rèn)知功能相關(guān)的腦區(qū)連接增加，神經(jīng)元活動(dòng)加強(qiáng)，相關(guān)神經(jīng)遞質(zhì)水平發(fā)生變化等等。

目前，非侵入性腦刺激 (NIBS)技術(shù)主要包括腦電神經(jīng)反饋、經(jīng)顱直流電/交流電干預(yù)(tDCS/tACS)、經(jīng)顱磁干預(yù)(TMS)等技術(shù)，除了應(yīng)用于與神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)的臨床疾病的治療(如阿爾茨海默癥、自閉癥等)，也廣泛應(yīng)用于注意力提升、認(rèn)知能力提升等。像飛行員注意力訓(xùn)練、運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練(如射擊、擊劍等需要快速反應(yīng)做出判斷的項(xiàng)目)、宇航員訓(xùn)練等，已經(jīng)普遍采用此類技術(shù)。

【研究進(jìn)展】

2022年12月2日，由北京師范大學(xué)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與學(xué)習(xí)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室宋艷教授領(lǐng)導(dǎo)，由英國伯明翰大學(xué)心理學(xué)院、美國德克薩斯州阿靈頓大學(xué)分校生物工程系等組成的國際專家團(tuán)隊(duì)，在《Science Advances》發(fā)表了通過tPBM(經(jīng)顱近紅外激光干預(yù))，提升認(rèn)知功能的研究。

【tPBM(經(jīng)顱近紅外激光干預(yù))】

它是一種在人腦的特定部位給予近紅外光刺激的技術(shù)，其原理是應(yīng)用近紅外光無衰減地通過顱骨作用于腦組織，通過線粒體細(xì)胞色素C氧化酶( Cytochrome-c-oxidase，CCO) 促進(jìn)ATP能量生成，從而調(diào)節(jié)腦功能狀態(tài)。

近紅外光已經(jīng)應(yīng)用于臨床治療，例如治療局部血管痙攣、促進(jìn)傷口愈合、治療色斑等;另一些研究表明，近紅外光可抑制細(xì)胞內(nèi)促炎因子的產(chǎn)生，減輕炎性反應(yīng)和氧化應(yīng)激。還可以刺激神經(jīng)元生成，刺激神經(jīng)生長因子介導(dǎo)的突起的生長，對(duì)軸突保護(hù)有積極的意義。

【試驗(yàn)研究】

研究團(tuán)隊(duì)采用1064nm光刺激右側(cè)前額葉，為了保證試驗(yàn)效果客觀，共進(jìn)行了四次雙盲、偽刺激對(duì)照的tPBM試驗(yàn)。

試驗(yàn)方案(圖B)和真?zhèn)卧囼?yàn)過程(圖A)

同時(shí)，通過兩個(gè)經(jīng)典的認(rèn)知功能測(cè)驗(yàn)(定向測(cè)驗(yàn)、顏色任務(wù)測(cè)驗(yàn))評(píng)估干預(yù)效果。測(cè)驗(yàn)過程(圖C)和測(cè)驗(yàn)結(jié)果(圖D)如下圖所示：

可以看到tPBM干預(yù)后(紅色)，對(duì)比偽刺激(藍(lán)色)，兩個(gè)測(cè)驗(yàn)的得分高于偽刺激。

如上圖所示，ERP檢查(圖A、B)和腦電地型圖檢查(圖C、D)發(fā)現(xiàn)1064nm光生物調(diào)節(jié)刺激右側(cè)前額葉可以增大工作記憶容量相關(guān)的腦電指標(biāo)，并預(yù)測(cè)行為的增益。

在干預(yù)的激光波長方面，研究團(tuán)隊(duì)測(cè)試了852nm和1064nm兩種波長的激光，發(fā)現(xiàn)只有1064 nm的光刺激可以改善個(gè)體的工作記憶容量，而852nm的光生物調(diào)節(jié)刺激則不會(huì)產(chǎn)生行為以及電生理上的顯著變化。

如上圖(圖D)所示，1064nm干預(yù)，測(cè)試成績變化明顯;而852nm干預(yù)，測(cè)試成績無顯著變化。

在干預(yù)腦區(qū)選擇上，研究團(tuán)隊(duì)測(cè)試了左側(cè)和右側(cè)PFC(前額葉皮層)，發(fā)現(xiàn)只有干預(yù)右側(cè)PFC時(shí)，認(rèn)知能力才有顯著提升，而干預(yù)左側(cè)PFC，則沒有顯著變化。

如上圖(圖D)所示，干預(yù)左側(cè)前額葉(left PFC)，測(cè)試成績沒有顯著變化;而干預(yù)右側(cè)前額葉(right PFC)，測(cè)試成績顯著提升。

【研究結(jié)論】

綜上所述，研究團(tuán)隊(duì)最后得出結(jié)論，采用特定波長(1064nm)的tPBM干預(yù)特定腦區(qū)(右側(cè)前額葉)，可以顯著提升人的認(rèn)知能力。

【1064nm波長激光的優(yōu)越性】

目前市場(chǎng)上存在的激光理療產(chǎn)品，波長有660、810、980和1064 nm等，究竟哪一種波長是最能激發(fā)光生物刺激作用?主要通過自噬(autophage)機(jī)制檢測(cè)。

自噬是細(xì)胞的“清潔”機(jī)制，幫助細(xì)胞產(chǎn)物在合成、降解以及接下來的循環(huán)中保持一個(gè)平衡狀態(tài)，用來維持有序的生命活動(dòng)。

病理?xiàng)l件下，細(xì)胞自噬能力會(huì)逐漸衰退，長時(shí)間不清理異常蛋白和細(xì)胞器的系統(tǒng)，會(huì)導(dǎo)致大量有害物質(zhì)堆積。

研究發(fā)現(xiàn)，在660、810、980和1064nm中，1064nm引發(fā)的自噬效果最明顯;在醫(yī)院皮膚科去除色斑的的治療實(shí)踐中，采用532nm激光療程，4個(gè)療程可見明顯改善;而采用1064nm激光，2個(gè)療程就可見明顯改善。

【參考資料】

Zhao C, Li D, Kong Y, et al. Transcranial photobiomodulation enhances visual working memory capacity in humans[J]. bioRxiv, 2022.