Nat Rev Neurosci综述：神经调控在脑功能和认知中的作用---意识、注意力和工作记忆
侵入性和非侵入性脑刺激的方法被广泛应用于神经科学领域以建立大脑不同区域与其所支配的感觉、认知和运动等功能之间的因果联系。当与同步脑成像相结合时，这种刺激方法可以揭示负责在局部回路和广泛网络水平上调节简单和复杂行为的神经元活动模式。在生理和任务态下了解神经调控如何对神经活动和行为产生影响，是我们正确使用这些工具来理解认知的核心。
在这篇综述中，我们重点介绍了该领域的最新研究成果，并对侵入性和非侵入性脑刺激下大脑活动和行为的状态依赖性变化的概念进行了批判性评估，重点关注与认知相关的内源性和任务诱发的大脑活动。
在包括意识状态、注意力和工作记忆在内的多个领域，我们描述了局部和全局大脑活动的变化如何影响神经调控的效果。我们专注于两种用于人类的主要技术的发现，即经颅磁刺激(TMS)和经颅电刺激(tES)，并将人类数据与动物模型的相关发现联系起来。
图1 不同的认知和神经状态会改变局部脑刺激的效果
大脑可以被概念化为一个相互连接的区域的集合，其网络的特征是节点之间的解剖和功能连接(白色圆圈之间的虚线)。在静息状态的大脑中，刺激其中一个节点(黑色箭头)可能会扰乱、激活或调节一组节点的兴奋性(红色圆圈，全黑色线)。
这个子集可能位于受刺激区域内，也可能涉及更远的节点(例如，根据静息态网络连接的定义)。然而，大脑很少是完全休息的。相反，它受警觉性或认知水平波动的影响，正如我们在本综述中考虑的三个例子状态所示：意识状态、注意力和工作记忆。因此，参与交流的特定通路将取决于当前的认知状态及其相关的生理状态。
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意识状态的波动
在麻醉和睡眠期间发生的意识状态的改变，其特征是主观体验的改变、相对于清醒时缺乏反应以及神经生理学的广泛波动。睡眠和麻醉的不同阶段也伴随着功能磁共振成像测量到的大脑连接的显著变化，是记忆和可塑性的强大调节器。
图2 在不同的意识状态下进行的脑刺激对大脑活动产生了不同的影响
a | Gersner等人发现，在清醒状态下连续10天接受rTMS的大鼠海马脑源性神经营养因子(BDNF)浓度增加；在给麻醉的动物进行rTMS时，情况正好相反。在海马体中，前边缘皮质BDNF浓度、AMPA受体GluR1亚基及其磷酸化形式的水平也出现了类似的模式(未显示)，表明随着钙通透性的增加，受体数量也会发生调节。
b | Massimini等人用头皮脑电图(EEG)电极(灰色小圈)记录了人类在TMS脉冲下产生的脑电活动(左侧，红色阴影)。当TMS在非快速眼动(NREM)睡眠(上)和清醒(下)状态下传递时，每个电极(右图)产生的时变活动，称为TMS诱发电位(TEPs)，前者振幅更大，但在皮层扩展方面更受限制。
c | 意识状态通常以震荡活动的不同主导频率为特征。利用神经元的人工生物物理网络进行建模，可以通过调节觉醒(受乙酰胆碱与去甲肾上腺素比值限制的神经元电导值)和输入(兴奋性输入，假设在活跃的觉醒过程中最高)，重现这些振荡特征(灰色阴影区)。
注意的信息通路
选择性注意机制对感官输入和内部想法进行优先排序和过滤。神经元活动的动态变化是增加信噪比的基础，并调节信息的选择性通路，以指导最佳行为。因此，注意状态和注意焦点的内容随着任务需求、显著性和传入感官信息的时间、可预测性等不同因素的变化而变化。
在这里，我们简要地考虑一下自愿注意是如何在实验环境中被操纵的，以及与它的部署相关的生理变化。然后，我们强调了一些研究，这些研究表明，在大脑受到刺激时，自愿性的注意力参与是如何调节自下而上和自上而下的网络活动的，以及它是如何改变皮层的可塑性的。
图3 注意对脑刺激触发的活动和神经可塑性的影响
a | 在Heinen和他的同事使用的注意力任务中，参与者被提示注意一张脸或移动的点，并进行性别判断(男(M)或女(F))或运动方向判断(左(L)或右(R))。在目标显示过程中，由于总是同时包含脸部和圆点，因此在注意力状态下保持视觉输入恒定。同时，于额眼区(FEF)实施3个TMS脉冲，观察位于梭状回面部识别区(FFA)和人体运动敏感复合区(MT+)fMRI活动。
b | TMS刺激增加目标FEF的活性。重要的是，当参与者关注脸部时，FEF区的TMS增加了FFA的活动，而当参与者关注动作时，同样的刺激增加了MT+的活动。结果表明，TMS脉冲从FEF到类别特异性皮层区域的动态路径取决于参与者的注意分配状态。
工作记忆的动态内容
工作记忆中存储和操作信息的能力是许多高级认知过程的核心。人脑fMRI和动物生理学研究集中在工作记忆网络中的前额皮质、PPC和主要感觉区域。在工作记忆加工的不同阶段，包括编码和巩固、保留和提取，网络中的配置和活动水平都可能发生变化。
最近关于大脑刺激对工作记忆的影响的研究表明，工作记忆中储存的信息类型，以及对记忆系统的要求，显著地改变了刺激与神经活动和行为的相互作用。
图4 脑刺激与潜在工作记忆表征相互作用
a | Rose等人通过要求参与者对两个记忆项目进行编码来操纵工作记忆内容，一个是人脸，一个是移动的圆点。第一个线索表明哪个项目将是即将进行的识别记忆探测的对象。这两个项目在第二次线索判断中被使用的可能性是相同的，从而确保在试验的前半段没有项目信息被丢弃，但其中一个项目(参与记忆项目(AMI))比另一个项目(无人参与记忆项目(UMI))有优先级。在第一个信号发出后，但在第一次探测之前，一个TMS脉冲(黑色箭头)被传导到大脑皮层的面部选择性或运动选择性区域。
b | 利用EEG数据，分类器能够在编码过程和编码后识别这两个项目。在第一个提示之后，UMI的可解码性有所下降。关键的是，TMS脉冲短暂恢复了UMI的可解码性(灰色阴影窗口)。
总 结
研究脑刺激引起的神经活动的状态依赖通路，对于我们理解大脑刺激诱导的可塑性以及临床应用尤为重要。随着对方法学的重新关注和新技术的引入，如对大脑深部结构的聚焦经颅超声刺激，未来有望对健康和疾病中神经刺激对大脑活动和行为的状态依赖效应有新的见解。
参考文献
Bradley C, Nydam AS, Dux PE, Mattingley JB. State-dependent effects of neural stimulation on brain function and cognition. Nat Rev Neurosci. 2022 May 16. doi: 10.1038/s41583-022-00598-1. Epub ahead of print. PMID: 35577959.
编译作者：ChloeFu（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）