文献速递 | 耳迷走刺激对情绪抑制控制的调控机制（fNIRS研究）

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/ 2024.08.28

背景

抑制控制是一种核心的执行功能。在不断变化的环境中，它极大地促进了个体的适应性行为和生存能力。有研究提出经皮耳迷走神经刺激（transcutaneous auricular vagus nerve stimulation, taVNS）能够改善行为抑制性能的假设，但taVNS诱发的神经增强的神经计算机制仍不清楚。

方法

作者在随机对照的实验中，以90名健康的年轻人为研究对象，采用情绪面孔Go/No-Go范式并结合功能性近红外光谱（functional near infrared spectroscopy，fNIRS）技术研究了taVNS对于情绪抑制控制的调控效果。

受试者被随机分配到两组，分别接受真的taVNS或伪刺激（sham stimulation）。刺激的类型在所有受试者中是平衡的。干预前，所有受试者都完成了一系列有效的心理测量问卷，以排除人格特质的混杂影响。另外，进行2次积极消极情绪量表评估（Positive and Negative Affect Schedule，PANAS）（实验前和实验后立即进行，观察情绪变化（Watson，Clark & Carey，1988））。然后根据受试者的主观感受调整刺激强度。接着要求受试者在熟悉情绪化的Go/No-Go任务后休息5分钟。随后，使用fNIRS（NIRSport2系统（NIRx Medical Technologies LLC））记录静息态大脑活动，同时指导受试者在15分钟的刺激期间放松并注视黑屏中心的白色十字。最后，再进行15分钟的刺激同时要求受试者完成情绪Go/No-Go任务，并使用同时fNIRS通过记录大脑活动。在实验结束时，受试者被要求报告刺激的副作用，包括头痛、恶心、电极下皮肤刺激、放松、警惕、不愉快的感觉、头晕、颈部疼痛、颈部肌肉收缩和耳朵刺痛感，采用李克特七分量表（1：完全没有，to7：非常）。该过程的图示如图1A。

经皮耳迷走神经刺激

本研究通过改良的经皮穴位电刺激装置实现TaVNS。taVNS组将耳夹电极连接到左耳屏进行迷走神经刺激，对照组将耳夹电极连接到左耳垂进行伪刺激。迷走神经（vagus nerve，VN）的耳支与触觉有关，因此刺激强度被单独校准到高于检测阈值的水平，但不产生任何不适感以确保VN激活（Ellrich，2011）。taVNS组的平均刺激强度为0.77mA（0.3-1.2mA），伪刺激对照组为0.94mA（0.6-1.4mA）。鉴于刺激强度因受试者而异，它被作为协变量参与以下ANCOVA分析。

情绪Go/No-Go任务

在情绪化的Go/No-Go任务（图1A）中，每项试验包括在24英寸黑色背景的显示器（1024×768，60Hz）中央放置一个白色注视十字架（1250±250毫秒），之后以500毫秒随机呈现情绪面孔（愤怒、快乐和中立）。视觉刺激通过E-prime3.0呈现（Psychology Software Tools，Inc.）。受试者需要尽快按下按钮（即在下一次试验之前）对中性面孔做出“Go”刺激的反应，但在出现“No-Go”刺激（愤怒或快乐的面孔）出现时不做出反应。所有96张人脸图像（48张中性、24张愤怒和24张快乐）都是具有同等大小和累积亮度的灰度图像，这些图像是从中国面部情感图片系统（Gong，Huang，Wang & Luo，2011）中选择的。这项任务包括144次“Go”试验（每个中性面孔出现3次）和48次“No-Go”试验（每张生气或开心的面孔出现1次）。

测量

抑制能力的行为表现和计算建模：为了评估taVNS对反应抑制的影响，测量包括Go试验（reaction time in Go trials，RT_Go）和No-Go试验准确率（accuracy of No-Go trials，ACC_No-Go）准确性在内的行为表现。作者通过Python3.8使用漂移扩散模型的分层贝叶斯估计（Hierarchical Bayesian estimation of the Drift Diffusion Model，HDDM）探索了抑制能力的计算机制（Wiecki、Sofer & Frank，2013）。分别估计taVNS组和伪刺激对照组的漂移率（v）、起点（z）、边界分离（a）和非决策时间（non-decision time, Ter）这四个参数。有关模型框架的详细信息请参阅图1B。

fNIRS数据收集和神经测量

在情绪Go/No-Go任务期间，通过NIRSport2系统（采样频率6.78Hz）测量每个受试者的血流动力学相对活动。基于fNIRS Optodes的位置决定器工具箱（fOLD v2.2），30个通道（12个源和11个检测器）位于前额叶皮层（图1C）（Zimeo, Morais，Balardin & Sato，2018）。值得注意的是，根据以前的研究，这些区域与情绪抑制控制高度相关（Munakata et al.，2011; Zhuang et al.， 2021），包括眶额叶皮层（orbitofrontal cortex，OFC）、额下回（inferior frontal gyrus，IFG）、内侧前额叶皮层（medial prefrontal cortex，mPFC）和背外侧前额叶皮层（dorsolateral prefrontal cortex，dlPFC）。每个源-检测器对定义一个距离为3.0cm的单个测量通道，fNIRS光体的位置根据10-10国际系统。

数据分析

在评估taVNS对反应抑制作用中，为了排除自我报告的情绪和个性对的潜在混淆影响，把干预(taVNS vs. sham)作为组间变量分别进行独立t检验。对taVNS组和伪刺激组的副作用评分进行独立检验。

在ACC_No-Go进行重复测量ANCOVA时，以情绪(即愤怒和快乐)作为受试者内因素，以干预方式作为组内因素，分别进行独立t检验，研究taVNS对RT_Go和hddm指标(a, v, z和Ter)的影响。多次比较采用Bonferroni校正。采用Pearson相关分析来研究No-Go的准确性与基于模型的指标之间的关系。最后作者通过自举方法bootstrapping method进一步进行中介分析，探讨Go刺激漂移率是否介导了taVNS对反应抑制性能的影响。

使用NIRs - kit (Hou et al.，2021)对fNIRS数据进行预处理，并转换为每个通道的氧合血红蛋白(oxyhemoglobin，HbO)时间序列(SI方法:fNIRS数据预处理)。鉴于HbO相对脱氧血红蛋白(deoxyhemoglobin，HbR)是任务相关变化的更敏感指标(Ferrari & Quaresima, 2012)，作者在进一步的分析中只关注HbO。

基于预处理的fNIRS数据进行广义线性模型(Generalized linear model，GLM)分析和动态功能连通性(Generalized linear model，dFC)分析，详见SI。

在7个ROIs (即左右OFC，左右IFG，左右dlPFC和mPFC)中，使用GLM方法在个人水平上测量“No-Go”和“Go”试验(即愤怒与中立，快乐与中立)之间的对比(见SI)。然后通过重复测量ANCOVA方法对数据进行组水平分析，其中ROI和情绪作为两个受试者内因素，干预作为受试者间因素。事后采用Bonferroni校正进行多重比较矫正。

动态功能连通性分析使用滑动窗口相关分析构建动态功能连通性，并应用k-means聚类分别生成taVNS和伪刺激条件下的关键大脑连接状态(Lu et al.，2023)。然后，使用多重比较的排列独立t检验比较干预组在每个状态内的FCs (Camargo, Azuaje, Wang & Zheng, 2008; Nichols & Holmes, 2002)。作者进一步采用Pearson相关的permutation（10,000次）测试来确定哪些前额叶FCs对抑制性能有显著贡献。通过中介分析研究FCs是否介导taVNS对抑制能力的影响。分析概述如图1C所示。

taVNS 对响应抑制性能的影响及其计算机制

taVNS对行为指标的影响。A，两个治疗组No-Go反应的准确性(mean±SEM)。B，处理组间漂移扩散模型(HDDM)参数差异的计算层次贝叶斯估计。C，Go反应漂移率介导的taVNS对No-Go反应准确性的影响。*p < 0.05。p < 0.01, p < 0.001, ns:无显著差异。

HDDM仿真结果观察和模拟反应(即准确性和反应时间)在taVNS和伪刺激条件下的代表性图。列1和列3表示概率密度。第2列和第4列表示每个反应时间分位数中正确反应的百分比。Obs =观察到。Sim =模拟。Corr =正确。Incorr =不正确。

TaVNS 对反应抑制期间大脑活动的影响

fNIRS的结果。A，双侧IFG在taVNS和伪刺激干预下抑制愤怒和快乐面孔的HbO差异。B，分别确定状态1、状态2、状态3、状态4时处理对FCs的不同影响，红线/框:taVNS > sham;蓝线/框:taVNS < sham。C，干预之间的中介分析，IFG和OFC之间的FC与No-Go反应的准确性。D，干预之间的平行中介分析，IFG和OFC之间的FC、Go刺激漂移率与No-Go反应准确性。FC-功能连接;IFG -额下回;OFC-眶额皮质。*p < 0.05, p < 0.01, p < 0.001。

结果

数据质量检查后，82名受试者的数据纳入分析。从行为数据来看，taVNS提高了No-Go反应的准确性，以及使用漂移扩散模型的分层贝叶斯估计的计算建模，表明taVNS尤其降低了Go响应的信息积累率，这与No-Go响应的准确性提高呈负相关。在神经信号水平上，taVNS在抑制愤怒表情面孔和前额叶抑制控制网络内的调制功能耦合（functional couplings, FCs）期间增强了双侧额下回（inferior frontal gyrus, IFG）的参与。中介模型显示，taVNS对于抑制控制的增强作用是由Go反应的信息积累减少以及随之而来的下额叶皮层和眼眶额叶皮层之间的神经功能耦合增强作为关键介导。

讨论

研究结果表明taVNS对改善抑制控制的增强作用，并进一步揭示了健康个体中这种作用的潜在神经计算机制。taVNS 作为一种有前途的神经调控技术在干预以抑制控制缺陷为特征的精神疾病（如注意力缺陷多动障碍、物质滥用障碍和创伤后应激障碍）方面具有治疗潜力。

参考文献

声明

最新VNS文献

1.Muscarinic and nicotinic receptors stimulation by vagus nerve stimulation ameliorates trastuzumab-induced cardiotoxicity via reducing programmed cell death in rats

迷走神经刺激的毒蕈碱和烟碱受体刺激通过减少大鼠程序性细胞死亡来改善曲妥珠单抗诱导的心脏毒性

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0041008X24002722

2.Functional seizure therapy via transauricular vagus nerve stimulation

通过经耳迷走神经刺激进行功能性癫痫发作治疗

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306987724002056

3.Precision psychiatry: personalized treatment of MDD with transcutaneous auricular vagus nerve stimulation

精准精神病学：经皮耳迷走神经刺激对MDD进行个性化治疗

https://journals.lww.com/ijsopen/citation/9900/precision_psychiatry__personalized_treatment_of.129.aspx

4.Exploration of Intrafascicular Vagus Nerve Stimulation on Blood Pressure Reduction        

束内迷走神经刺激对降压作用的探索

https://link.springer.com/article/10.1007/s12204-024-2767-3

5.Baseline characteristics and predictors for early implantation of vagus nerve stimulation therapy in people with drug-resistant epilepsy: Observations from an international prospective outcomes registry (CORE-VNS)

耐药性癫痫患者早期植入迷走神经刺激治疗的基线特征和预测因子：来自国际前瞻性结果登记处 （CORE-VNS） 的观察

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/epi4.13015