经颅直流电刺激（tDCS）是一种非侵入性弱电流脑刺激技术，其主要是根据电极刺激极性不同使神经元的激活阈值不同，从而调节大脑皮层的兴奋性。本文将健康受试者随机分为三组：阳极刺激组、阴极刺激组和伪刺激组，每组 5 名受试者。然后，记录三组受试者刺激前和刺激后测试心理旋转能力的绩效数据，并采集静息态和任务态脑电数据。最后，通过对比分析三组受试者的行为学数据和脑电数据，探索经过不同极性的电刺激对三维心理旋转能力的影响。研究结果发现，阳极刺激组受试者正确反应时/正确率、正确率绩效水平均高于阴极刺激组和伪刺激组，并且差异有统计学意义（P < 0.05）；alpha 波功率分析，发现心理旋转主要激活脑区有额叶、中央区、顶叶和枕叶；阳极刺激组，alpha 波功率在额叶和枕叶发生显著变化（P < 0.05）。本文结果表明，阳极刺激组在一定程度上能够提升受试者的心理旋转能力，本文研究结果可以为进一步研究 tDCS 对心理旋转能力的作用机制提供重要的理论支持。
引用本文： 郭娅美, 焦学军, 姜劲, 曹勇, 楚洪祚, 李启杰. 基于经颅直流电刺激的心理旋转能力增强研究. 生物医学工程学杂志, 2021, 38(4): 630-637. doi: 10.7507/1001-5515.202011083 复制
引言
经颅直流电刺激（transcranial direct current stimulation，tDCS）是一种使用非侵入性弱电流调节细胞膜电位和受刺激神经元之间的突触强度，从而产生认知效应的脑刺激技术[1]。一般认为阳极刺激降低神经元的激活阈值使神经元去极化，从而增加皮质兴奋性；而阴极刺激增加神经元的激活阈值使神经元超极化，从而降低皮质兴奋性[2]。一项系统性研究表明，tDCS 是提高脑卒中患者的自适应可塑性的有效途径，并在运动前和运动后康复有显著作用[3]。因此，研究认为 tDCS 的长期作用可能与神经可塑性调节中的长时增强或抑制具有共同的特征[4]。最近一项研究表明，不同刺激参数的 tDCS 对初级运动皮层的神经可塑性的增加不同[5]。此外，tDCS 刺激还可以促进多个基本认知能力变化，包括学习、注意力、感知、短时记忆、判断决策等[6]。然而，尽管有可信的认知增强证据，但观察到的效应变化差异依然很大，即使应用于同一大脑区域也是如此[7]。相关因素可能包括认知过程的复杂性、刺激持续时间和电流密度、个体解剖学差异、潜在任务相关的活动以及当前极性对特定皮层区域的影响。
心理旋转（mental rotation，MR）是指人们将自己或者客观物体的表象在自己大脑中进行二维或三维旋转的心理加工过程。该概念是由 Shepard 等[8]在 1971 年首次提出的，其判断同时呈现的物体旋转后是否相同。心理旋转作为空间认知能力的一个核心要素，是衡量个体空间能力的重要标准之一。心理旋转中最为人们关注的是刺激素材，根据刺激素材的不同将其分为主体和客体、二维和三维等；根据呈现的方式不同将其分为同时呈现和单个呈现。其中客体是指以物体为参照，如图形、字母和数字等[9]；而主体是以自我为参照，如肢体或者手部等[10]。现有研究针对心理旋转的激活脑区是否有半球优势，还一直存在争议。大量研究发现心理旋转能力起主要作用的脑区是顶叶、枕叶和额叶。随着研究的深入，一些研究发现心理旋转能力有右半球优势，但也有相反的结论，认为是左半球优势。Pegna 等[11]发现在旋转图片过程中，激活较多的是右侧顶-枕叶皮层。Papanicolaou 等[12]研究旋转立体图形时诱发电位发现左右半球有明显的不同，在右顶叶中脑电位明显高于左顶叶。Mehta 等[13]研究了脑损伤患者的心理旋转能力，发现左半球损伤患者绩效结果明显降低，表明心理旋转能力是左半球优势。Lamm 等[14]将立体图形旋转分为编码、旋转以及匹配三个过程，发现上顶叶在旋转过程中被显著激活。Yu 等[15]通过事件相关电位和事件相关同步测量心理旋转能力，发现进行三维立体旋转时，内侧顶叶有更高的激活。综上，通过总结以及前期实验，本研究选择刺激脑区为顶叶，并通过设置阳极刺激和阴极刺激来确定激活脑区是左半球还是右半球。
在电刺激对心理旋转的研究中，刘晔[16]使用交流电刺激发现，alpha 和 beta 节律交流电刺激可以提高心理旋转测试的反应时间绩效指标，但对正确率指标没有影响，可能由于测试任务较为简单。随后石静[17]研究了交流电和直流电对心理旋转的影响，发现直流电刺激效果更佳。Kikuchi 等[18]研究了直流电刺激患者和健康人刺激枕-颞区心理旋转能力的变化。对于心理旋转能力的电刺激研究，刺激脑区、测试范式等的不同，对结果的影响有很大差异。
随着航天在轨时间的延长、操作任务复杂性的增加以及航天特因环境，航天员的认知能力会有所下降，如在失重条件下，人体的定向能力、协调能力和运动系统等都会下降。田雨等[19]进行二维心理旋转、三维心理旋转与手控交会对接任务的关联分析，发现受试者在三维心理旋转情况下绩效指标与手控交会对接任务绩效显著相关。由此可见，研究 tDCS 对心理旋转能力的影响，对维持典型航天任务绩效水平具有积极作用。然而，基于 tDCS 的心理旋转能力的影响还不确定，心理旋转能力的激活脑区，大多数研究发现有额叶、颞叶、顶叶和枕叶。在半球优势方面，有研究呈现右半球优势，有研究则没有发现半球优势。在刘晔[16]的研究中，绩效结果没有变化，可能由于在测试前，绩效指标已经达到天花板效应。本研究首先对刺激素材进行完善、增加难度，尽量减小天花板效应，最后设置不同刺激的电极位置，来研究 tDCS 对心理旋转能力的影响。
1 材料和方法
1.1 材料
1.1.1 实验设备
实验设备中电刺激仪是德国 Neuroconn 公司研发的 DC-STIMULATOR MC，是经过欧洲 CE 认证的医疗设备，是一款多功能经颅直流电刺激器，支持 tDCS 和经颅交流电刺激（transcranial alternating current stimulation，tACS）等多种电刺激方式。电流设置 0～4 mA。
脑电设备选择原产地荷兰的 Eegosports 64 通道无线脑电肌电系统的设备，该设备最多 64 通道，也可以配置成为 32 通道。本实验中，根据国际脑电图学会制定的 10-20 电极导联定位标准，采集 32 导联脑电信号。实验中采样频率 500 Hz，电极与头皮之间的阻抗保持在 5 kΩ 以下，其中耳根处 M1、M2 为参考电极位置。
1.1.2 实验对象
本实验招募 15 名健康受试者，全部为男生，随机等分为三组，即每组 5 人。年龄在 23～30 岁，均未接受过电刺激实验，均为右利手，视力矫正到正常水平，实验过程中精神状态良好。实验环境安静无打扰，实验前所有受试者均进行相同的培训，并签署知情同意书后，选择自愿参加实验，实验结束后给予一定的报酬。该实验已通过人因工程重点实验室的医学伦理委员会批准。
1.1.3 tDCS 参数选择
tDCS 刺激参数主要涉及电流大小（0.5～2 mA）、刺激时长（5～30 min），以及刺激脑区[20-21]。结合安全方面和文献方面的依据，本次实验选择电流大小 1 mA、刺激时长 15 min。对于脑区的选择，目前存在争议，因此本文针对不同电极极性、脑区激活优势半球的不同设置对照组。定义阳极刺激组为：阳极放置右顶叶 P4 位置，阴极放置左侧顶叶 P3 位置；阴极刺激组为：阴极放置右侧顶叶 P4 位置，阳极放置左侧顶叶 P3 位置；对照组伪刺激电流设置为 0 mA。刺激时长为 15 min，电流大小为 1 mA，刺激开始和结束有 30 s 的线性上升电流和线性下降电流。其中，为了避免受试者觉察到伪刺激，伪刺激中有 2 min 的 1 mA 刺激电流。如图 1 所示为电流刺激波形图。
图1
真/伪刺激电流波形示意图
Figure1.
Schematic diagram of real/sham stimulation current waveform
1.1.4 心理旋转实验流程
前文指出，刺激素材太简单，受试者绩效水平普遍较高，不便于体现 tDCS 物理刺激的效果，因此本研究对三维立体图形素材增加难度。研究表明，棱角、方向、旋转角度等的不同，心理旋转的难度会增加。本研究，通过 3D Max 重新建模，增加旋转的角度和旋转轴，使任务难度增加。设计刺激素材分为 4 组类型，如图 2 右下方所示。经过删减一些无法分辨方向的素材，最后保留 356 张刺激素材。经过实验前测试发现，难度确实增加，正确率由原来的平均 87% 降低至 70%，反应时间从 3 s 增加至 7 s。
图2
实验流程图
Figure2.
Experimental flowchart
实验中，一个 block 如图 2 左下方所示。具体如下：① 开始电脑屏幕出现“静息态”字样，呈现提示语，然后呈现注视点“+”；② 屏幕随机呈现两幅图片，受试者尽快作出判断，最长时间为 15 000 ms，超时进入下一个判断，受试者作出判断后，屏幕呈现“+”，提示受试者开始下一个判断。
该实验分三个环节，第一个环节是三维心理旋转任务的测试。前期预实验发现测试任务难度较大，受试者测试后期专注力下降，因此测试分为 2 个 block，中间受试者可以休息，减少无效数据的产生；第二个环节是 tDCS 施加刺激，根据随机选择的刺激组别，受试者接受刺激 15 min；第三个环节与第一个环节相同，测试 2 个 block，整个实验大约 1 h。整个实验全程采集脑电信号。实验流程图如图 2 所示。
1.2 方法
1.2.1 行为学数据统计
使用 python 中 PsychoPy3 工具包呈现刺激图片，并同步记录受试者的行为学数据，得到受试者的正确反应时、正确率，其中正确反应时是指受试者在呈现图像到按键正确时的时间，正确率是指受试者正确反应次数与总实验次数的比值。三维心理旋转测试中，由于旋转角度的不同，受试者进行判断时所需时间也不同，这对评估心理旋转能力偏差较大。为了减小这种偏差，根据速度-准确率权衡理论对正确反应时进行修正，选择正确反应时与正确率之比作为其中一个绩效指标，另一个绩效指标选择正确率。对于绩效指标，使用 SPSS 25 软件中 Shapiro-Wilk 法进行正态检验，满足正态检验后，采用配对 t 检验对刺激前和刺激后绩效指标进行统计分析。检验水准为 0.05。
1.2.2 脑电信号预处理和分析
脑电信号非常微弱，并且容易受到来自体外和体内的噪声源干扰。体外干扰主要包括采集信号的放大器、显示器等，采集时断开充电电源可有效降低电磁干扰。体内干扰源主要是眼动、肌电活动、心脏跳动、呼吸等引起，其中眼动干扰影响较大，出现次数较频繁，是体内主要的干扰源。
脑电信号的预处理过程使用 matlab 软件的开源工具包 EEGLAB v14。首先导入实验过程中采集到的原信号，进行重定位、重参考、移除眼电通道、0.3～50 Hz 滤波、降采样为 200 Hz、独立成分分析（independent component analysis，ICA）、移除眼动等成分、去基线分段等操作，选择刺激图片出现前 2 s 开始截取 2 min。其中，ICA 去除眼动干扰，其基本思想是假设脑电信号和眼电信号彼此独立，并将原始数据投影到多个彼此独立的特征空间，进而实现原始信号的特征分离，识别并去除眼动干扰后，逆向投影恢复原始数据[22]。
以往大脑信号的研究中，alpha 波是最早被发现并且也是最为常见的神经振荡节律。目前，较为主流的观点认为 alpha 波具有功能抑制的作用，alpha 波在无关脑区的能量增加可以抑制该脑区的认知活动强度，使得有限的认知资源可以被最有效地用于与任务相关的脑区上[23]。alpha 波也常被认为是大脑处于静息态或者休息时的反应，与任务活动之间成负相关[24]。Li 等[25]前期在对学习过程中注意力和脑电信号 alpha 波的研究中发现，alpha 波的振幅和能量在注意力集中时波幅下降、能量减少，而注意力下降时能量增加。alpha 波在各认知能力中，根据任务执行难度的不同以及认知能力的变化，可以呈现不同的变化趋势，可以很好地反映受试者的认知能力变化。因此，本文中采用 alpha 波来反映刺激前后受试者认知能力的变化。
2 结果
2.1 行为学绩效分析
使用统计软件 SPSS25.0 对行为学数据处理，得到电刺激前后受试者的正确反应时和正确率，对绩效指标正确反应时/正确率和正确率统计分析，结果如图 3 所示。
图3
刺激前后绩效指标结果变化（*P < 0.05，**P < 0.01）
Figure3.
Changes in performance index results before and after stimulation (*P < 0.05, **P < 0.01)
从图中可以看到，无论阳极刺激还是阴极刺激，刺激后绩效指标均比刺激前有所提升，但阳极刺激组绩效指标变化较为明显。对三种刺激条件下刺激前和刺激后指标进行统计学分析，阳极刺激组中正确反应时/正确率、正确率两个绩效指标差异有统计学意义，分别为：t[4] = 5.16，P = 0.00；t[4] = − 5.60，P = 0.00。而阴极刺激和伪刺激组中绩效指标差异没有统计学意义。
2.2 脑电结果分析
2.2.1 激活脑区分析
功率谱分析是一种非常重要的频谱分析方法，其中主要讨论信号能量随频率变化的情况，可以直观地分析讨论不同状态、不同频率下脑电节律的分布与变化。为了探讨心理旋转能力的敏感脑区及其变化，分析了心理旋转能力静息态和任务态脑电信号的功率谱。静息态和测试任务态的 alpha 波功率谱脑地形图如图 4 所示。从图中可以看出，在静息态时 alpha 波能量在顶叶、枕叶、额叶变化较大。为了明确心理旋转能力的敏感脑区，对心理旋转能力所有通道进行统计分析，检验水准为 0.05。成对比较后以 P 值为各通道的脑地形图阈值，结果如图 5 所示。图中颜色为黄色时 P ≤ 0.05，红色时 P > 0.05。统计结果发现，心理旋转能力主要激活位点有：Fc1、Fc2、Fpz、F3、Fz、F4、C3、Cz、Cp1、Cp2、P3、Pz、P7、O1、O2 等，即主要为额叶、中央区、顶叶和枕叶。
图4
静息态和测试任务时脑地形图
Figure4.
Brain topography during resting state and test task
图5
差异 P 值脑地形图
Figure5.
Significant P value brain topography
2.2.2 激活脑区 alpha 功率变化规律分析
为了考察电刺激后对心理旋转能力的影响，分别对阳极刺激、阴极刺激和伪刺激三组受试者实验脑电数据进行刺激前和刺激后的静息态 alpha 波功率进行分析，结果如图 6 所示。
图6
三组不同刺激前后静息态 alpha 波段变化脑地形图
Figure6.
Brain topographic maps of changes in resting alpha band before and after three groups of different stimulations
从图中可以看到，阳极刺激前和刺激后静息态在顶叶和枕叶 alpha 波能量变化较明显；阴极刺激前和刺激后静息态 alpha 波主要在枕叶有变化；伪刺激前、后静息态 alpha 波变化不明显。为了明确脑区的变化情况，下面从刺激前后的静息态对心理旋转激活脑区的六个电极位置进行统计学分析，结果如图 7 所示。
图7
三组不同刺激前后 alpha 波段变化均值图（* P < 0.05，** P < 0.01）
Figure7.
The average change of alpha band before and after three groups of different stimuli (* P < 0.05, ** P < 0.01)
三组不同刺激条件下，统计结果发现阳极刺激后 F3、F4、O2 通道 alpha 波功率的下降有统计学意义（P < 0.05）；阴极刺激和伪刺激组差异无统计学意义。阳极 alpha 波功率降低，表明刺激后额叶和枕叶皮层兴奋度增加，大脑活跃度增加。
3 讨论
本研究中健康受试者的行为学结果表明，相较于阴极刺激和伪刺激来说，经过 1 mA、15 min 的阳极刺激，受试者的心理旋转测试中反应时间显著减少，正确率显著提高，并且差异有统计学意义（P < 0.01）。这表明经过阳极刺激后，受试者心理旋转能力的反应能力以及判断能力均有提高。
对于心理旋转测试范式而言，有文献报道电刺激后测试任务的绩效指标反应时间有显著变化，而正确率无变化，可能是文中测试素材相对简单，受试者的正确率绩效水平达到天花板效应；也有文章报道测试任务的绩效指标正确率差异有统计学意义，而反应时间无变化；还有文章报道正确率和反应时间两种绩效指标都有显著变化。因此，本文为了减少绩效指标出现天花板效应，重新设计了刺激素材，增加素材的扭转角度，经过预实验发现，受试者的正确率和反应时间均较之前的测试任务绩效水平下降。这表明经过重新设计的心理旋转素材减少了天花板效应，可以更好地体现刺激的效果。
对于刺激脑区而言，现有文献报道心理旋转能力的激活脑区有所不同，可能是由于刺激素材、个体差异等原因[26]，不同研究脑区位置不明确[27]。因此，本文首先针对心理旋转的激活脑区进行分析，分析静息态和任务态 alpha 波功率，结果发现三维心理旋转任务过程中，额叶、中央区、顶叶和枕叶都有显著激活，进而针对激活脑区分析心理旋转能力在刺激前后脑区的变化。
tDCS 阳极刺激被认为是激活大脑皮层神经元使大脑皮层更加兴奋，阴极是抑制大脑皮层神经元使大脑皮层兴奋度下降[28-29]。最近文章指出，阳极 tDCS 刺激降低了 alpha 波功率[30-31]。本文中，阳极刺激组静息态数据发现 alpha 波功率明显降低并有统计学意义，主要表现为以 F3、F4 为代表的额叶和以 O2 为代表的枕叶，而这两个脑区是心理旋转的激活脑区，这表明阳极刺激后皮层兴奋性增加，表现为任务绩效的提升。
经过阳极、阴极刺激和伪刺激的对照实验，发现阳极刺激可以提升绩效水平，alpha 波能量减少，其阳极施加位点为右侧顶叶 P4，也说明了右半球对于心理旋转能力起主要作用；而阴极刺激的阳极施加位点为左侧 P3，从而对绩效无影响，alpha 波能量增加，使大脑皮层兴奋性下降。也即是阳极刺激右侧对心理旋转能力有提升作用，阳极刺激左侧有抑制作用，从而表明了心理旋转的右半球优势。
4 结论
本实验通过采集健康受试者执行心理旋转能力时的行为学数据，以及在三种刺激条件下刺激前后的静息态脑电数据，对行为学数据和脑电数据进行分析。首先分析行为学数据，发现阳极刺激组受试者的心理旋转测试绩效水平显著提高；脑电数据 alpha 波功率谱分析，受试者执行心理旋转任务时，主要激活脑区有额叶、中央区、顶叶和枕叶，并且发现阳极刺激组额叶和右侧枕叶有显著差异。这些结果表明阳极刺激可以提升受试者的心理旋转能力。
利益冲突声明：本文全体作者均声明不存在利益冲突。
引言
经颅直流电刺激（transcranial direct current stimulation，tDCS）是一种使用非侵入性弱电流调节细胞膜电位和受刺激神经元之间的突触强度，从而产生认知效应的脑刺激技术[1]。一般认为阳极刺激降低神经元的激活阈值使神经元去极化，从而增加皮质兴奋性；而阴极刺激增加神经元的激活阈值使神经元超极化，从而降低皮质兴奋性[2]。一项系统性研究表明，tDCS 是提高脑卒中患者的自适应可塑性的有效途径，并在运动前和运动后康复有显著作用[3]。因此，研究认为 tDCS 的长期作用可能与神经可塑性调节中的长时增强或抑制具有共同的特征[4]。最近一项研究表明，不同刺激参数的 tDCS 对初级运动皮层的神经可塑性的增加不同[5]。此外，tDCS 刺激还可以促进多个基本认知能力变化，包括学习、注意力、感知、短时记忆、判断决策等[6]。然而，尽管有可信的认知增强证据，但观察到的效应变化差异依然很大，即使应用于同一大脑区域也是如此[7]。相关因素可能包括认知过程的复杂性、刺激持续时间和电流密度、个体解剖学差异、潜在任务相关的活动以及当前极性对特定皮层区域的影响。
心理旋转（mental rotation，MR）是指人们将自己或者客观物体的表象在自己大脑中进行二维或三维旋转的心理加工过程。该概念是由 Shepard 等[8]在 1971 年首次提出的，其判断同时呈现的物体旋转后是否相同。心理旋转作为空间认知能力的一个核心要素，是衡量个体空间能力的重要标准之一。心理旋转中最为人们关注的是刺激素材，根据刺激素材的不同将其分为主体和客体、二维和三维等；根据呈现的方式不同将其分为同时呈现和单个呈现。其中客体是指以物体为参照，如图形、字母和数字等[9]；而主体是以自我为参照，如肢体或者手部等[10]。现有研究针对心理旋转的激活脑区是否有半球优势，还一直存在争议。大量研究发现心理旋转能力起主要作用的脑区是顶叶、枕叶和额叶。随着研究的深入，一些研究发现心理旋转能力有右半球优势，但也有相反的结论，认为是左半球优势。Pegna 等[11]发现在旋转图片过程中，激活较多的是右侧顶-枕叶皮层。Papanicolaou 等[12]研究旋转立体图形时诱发电位发现左右半球有明显的不同，在右顶叶中脑电位明显高于左顶叶。Mehta 等[13]研究了脑损伤患者的心理旋转能力，发现左半球损伤患者绩效结果明显降低，表明心理旋转能力是左半球优势。Lamm 等[14]将立体图形旋转分为编码、旋转以及匹配三个过程，发现上顶叶在旋转过程中被显著激活。Yu 等[15]通过事件相关电位和事件相关同步测量心理旋转能力，发现进行三维立体旋转时，内侧顶叶有更高的激活。综上，通过总结以及前期实验，本研究选择刺激脑区为顶叶，并通过设置阳极刺激和阴极刺激来确定激活脑区是左半球还是右半球。
在电刺激对心理旋转的研究中，刘晔[16]使用交流电刺激发现，alpha 和 beta 节律交流电刺激可以提高心理旋转测试的反应时间绩效指标，但对正确率指标没有影响，可能由于测试任务较为简单。随后石静[17]研究了交流电和直流电对心理旋转的影响，发现直流电刺激效果更佳。Kikuchi 等[18]研究了直流电刺激患者和健康人刺激枕-颞区心理旋转能力的变化。对于心理旋转能力的电刺激研究，刺激脑区、测试范式等的不同，对结果的影响有很大差异。
随着航天在轨时间的延长、操作任务复杂性的增加以及航天特因环境，航天员的认知能力会有所下降，如在失重条件下，人体的定向能力、协调能力和运动系统等都会下降。田雨等[19]进行二维心理旋转、三维心理旋转与手控交会对接任务的关联分析，发现受试者在三维心理旋转情况下绩效指标与手控交会对接任务绩效显著相关。由此可见，研究 tDCS 对心理旋转能力的影响，对维持典型航天任务绩效水平具有积极作用。然而，基于 tDCS 的心理旋转能力的影响还不确定，心理旋转能力的激活脑区，大多数研究发现有额叶、颞叶、顶叶和枕叶。在半球优势方面，有研究呈现右半球优势，有研究则没有发现半球优势。在刘晔[16]的研究中，绩效结果没有变化，可能由于在测试前，绩效指标已经达到天花板效应。本研究首先对刺激素材进行完善、增加难度，尽量减小天花板效应，最后设置不同刺激的电极位置，来研究 tDCS 对心理旋转能力的影响。
1 材料和方法
1.1 材料
1.1.1 实验设备
实验设备中电刺激仪是德国 Neuroconn 公司研发的 DC-STIMULATOR MC，是经过欧洲 CE 认证的医疗设备，是一款多功能经颅直流电刺激器，支持 tDCS 和经颅交流电刺激（transcranial alternating current stimulation，tACS）等多种电刺激方式。电流设置 0～4 mA。
脑电设备选择原产地荷兰的 Eegosports 64 通道无线脑电肌电系统的设备，该设备最多 64 通道，也可以配置成为 32 通道。本实验中，根据国际脑电图学会制定的 10-20 电极导联定位标准，采集 32 导联脑电信号。实验中采样频率 500 Hz，电极与头皮之间的阻抗保持在 5 kΩ 以下，其中耳根处 M1、M2 为参考电极位置。
1.1.2 实验对象
本实验招募 15 名健康受试者，全部为男生，随机等分为三组，即每组 5 人。年龄在 23～30 岁，均未接受过电刺激实验，均为右利手，视力矫正到正常水平，实验过程中精神状态良好。实验环境安静无打扰，实验前所有受试者均进行相同的培训，并签署知情同意书后，选择自愿参加实验，实验结束后给予一定的报酬。该实验已通过人因工程重点实验室的医学伦理委员会批准。
1.1.3 tDCS 参数选择
tDCS 刺激参数主要涉及电流大小（0.5～2 mA）、刺激时长（5～30 min），以及刺激脑区[20-21]。结合安全方面和文献方面的依据，本次实验选择电流大小 1 mA、刺激时长 15 min。对于脑区的选择，目前存在争议，因此本文针对不同电极极性、脑区激活优势半球的不同设置对照组。定义阳极刺激组为：阳极放置右顶叶 P4 位置，阴极放置左侧顶叶 P3 位置；阴极刺激组为：阴极放置右侧顶叶 P4 位置，阳极放置左侧顶叶 P3 位置；对照组伪刺激电流设置为 0 mA。刺激时长为 15 min，电流大小为 1 mA，刺激开始和结束有 30 s 的线性上升电流和线性下降电流。其中，为了避免受试者觉察到伪刺激，伪刺激中有 2 min 的 1 mA 刺激电流。如图 1 所示为电流刺激波形图。
图1
真/伪刺激电流波形示意图
Figure1.
Schematic diagram of real/sham stimulation current waveform
1.1.4 心理旋转实验流程
前文指出，刺激素材太简单，受试者绩效水平普遍较高，不便于体现 tDCS 物理刺激的效果，因此本研究对三维立体图形素材增加难度。研究表明，棱角、方向、旋转角度等的不同，心理旋转的难度会增加。本研究，通过 3D Max 重新建模，增加旋转的角度和旋转轴，使任务难度增加。设计刺激素材分为 4 组类型，如图 2 右下方所示。经过删减一些无法分辨方向的素材，最后保留 356 张刺激素材。经过实验前测试发现，难度确实增加，正确率由原来的平均 87% 降低至 70%，反应时间从 3 s 增加至 7 s。
图2
实验流程图
Figure2.
Experimental flowchart
实验中，一个 block 如图 2 左下方所示。具体如下：① 开始电脑屏幕出现“静息态”字样，呈现提示语，然后呈现注视点“+”；② 屏幕随机呈现两幅图片，受试者尽快作出判断，最长时间为 15 000 ms，超时进入下一个判断，受试者作出判断后，屏幕呈现“+”，提示受试者开始下一个判断。
该实验分三个环节，第一个环节是三维心理旋转任务的测试。前期预实验发现测试任务难度较大，受试者测试后期专注力下降，因此测试分为 2 个 block，中间受试者可以休息，减少无效数据的产生；第二个环节是 tDCS 施加刺激，根据随机选择的刺激组别，受试者接受刺激 15 min；第三个环节与第一个环节相同，测试 2 个 block，整个实验大约 1 h。整个实验全程采集脑电信号。实验流程图如图 2 所示。
1.2 方法
1.2.1 行为学数据统计
使用 python 中 PsychoPy3 工具包呈现刺激图片，并同步记录受试者的行为学数据，得到受试者的正确反应时、正确率，其中正确反应时是指受试者在呈现图像到按键正确时的时间，正确率是指受试者正确反应次数与总实验次数的比值。三维心理旋转测试中，由于旋转角度的不同，受试者进行判断时所需时间也不同，这对评估心理旋转能力偏差较大。为了减小这种偏差，根据速度-准确率权衡理论对正确反应时进行修正，选择正确反应时与正确率之比作为其中一个绩效指标，另一个绩效指标选择正确率。对于绩效指标，使用 SPSS 25 软件中 Shapiro-Wilk 法进行正态检验，满足正态检验后，采用配对 t 检验对刺激前和刺激后绩效指标进行统计分析。检验水准为 0.05。
1.2.2 脑电信号预处理和分析
脑电信号非常微弱，并且容易受到来自体外和体内的噪声源干扰。体外干扰主要包括采集信号的放大器、显示器等，采集时断开充电电源可有效降低电磁干扰。体内干扰源主要是眼动、肌电活动、心脏跳动、呼吸等引起，其中眼动干扰影响较大，出现次数较频繁，是体内主要的干扰源。
脑电信号的预处理过程使用 matlab 软件的开源工具包 EEGLAB v14。首先导入实验过程中采集到的原信号，进行重定位、重参考、移除眼电通道、0.3～50 Hz 滤波、降采样为 200 Hz、独立成分分析（independent component analysis，ICA）、移除眼动等成分、去基线分段等操作，选择刺激图片出现前 2 s 开始截取 2 min。其中，ICA 去除眼动干扰，其基本思想是假设脑电信号和眼电信号彼此独立，并将原始数据投影到多个彼此独立的特征空间，进而实现原始信号的特征分离，识别并去除眼动干扰后，逆向投影恢复原始数据[22]。
以往大脑信号的研究中，alpha 波是最早被发现并且也是最为常见的神经振荡节律。目前，较为主流的观点认为 alpha 波具有功能抑制的作用，alpha 波在无关脑区的能量增加可以抑制该脑区的认知活动强度，使得有限的认知资源可以被最有效地用于与任务相关的脑区上[23]。alpha 波也常被认为是大脑处于静息态或者休息时的反应，与任务活动之间成负相关[24]。Li 等[25]前期在对学习过程中注意力和脑电信号 alpha 波的研究中发现，alpha 波的振幅和能量在注意力集中时波幅下降、能量减少，而注意力下降时能量增加。alpha 波在各认知能力中，根据任务执行难度的不同以及认知能力的变化，可以呈现不同的变化趋势，可以很好地反映受试者的认知能力变化。因此，本文中采用 alpha 波来反映刺激前后受试者认知能力的变化。
2 结果
2.1 行为学绩效分析
使用统计软件 SPSS25.0 对行为学数据处理，得到电刺激前后受试者的正确反应时和正确率，对绩效指标正确反应时/正确率和正确率统计分析，结果如图 3 所示。
图3
刺激前后绩效指标结果变化（*P < 0.05，**P < 0.01）
Figure3.
Changes in performance index results before and after stimulation (*P < 0.05, **P < 0.01)
从图中可以看到，无论阳极刺激还是阴极刺激，刺激后绩效指标均比刺激前有所提升，但阳极刺激组绩效指标变化较为明显。对三种刺激条件下刺激前和刺激后指标进行统计学分析，阳极刺激组中正确反应时/正确率、正确率两个绩效指标差异有统计学意义，分别为：t[4] = 5.16，P = 0.00；t[4] = − 5.60，P = 0.00。而阴极刺激和伪刺激组中绩效指标差异没有统计学意义。
2.2 脑电结果分析
2.2.1 激活脑区分析
功率谱分析是一种非常重要的频谱分析方法，其中主要讨论信号能量随频率变化的情况，可以直观地分析讨论不同状态、不同频率下脑电节律的分布与变化。为了探讨心理旋转能力的敏感脑区及其变化，分析了心理旋转能力静息态和任务态脑电信号的功率谱。静息态和测试任务态的 alpha 波功率谱脑地形图如图 4 所示。从图中可以看出，在静息态时 alpha 波能量在顶叶、枕叶、额叶变化较大。为了明确心理旋转能力的敏感脑区，对心理旋转能力所有通道进行统计分析，检验水准为 0.05。成对比较后以 P 值为各通道的脑地形图阈值，结果如图 5 所示。图中颜色为黄色时 P ≤ 0.05，红色时 P > 0.05。统计结果发现，心理旋转能力主要激活位点有：Fc1、Fc2、Fpz、F3、Fz、F4、C3、Cz、Cp1、Cp2、P3、Pz、P7、O1、O2 等，即主要为额叶、中央区、顶叶和枕叶。
图4
静息态和测试任务时脑地形图
Figure4.
Brain topography during resting state and test task
图5
差异 P 值脑地形图
Figure5.
Significant P value brain topography
2.2.2 激活脑区 alpha 功率变化规律分析
为了考察电刺激后对心理旋转能力的影响，分别对阳极刺激、阴极刺激和伪刺激三组受试者实验脑电数据进行刺激前和刺激后的静息态 alpha 波功率进行分析，结果如图 6 所示。
图6
三组不同刺激前后静息态 alpha 波段变化脑地形图
Figure6.
Brain topographic maps of changes in resting alpha band before and after three groups of different stimulations
从图中可以看到，阳极刺激前和刺激后静息态在顶叶和枕叶 alpha 波能量变化较明显；阴极刺激前和刺激后静息态 alpha 波主要在枕叶有变化；伪刺激前、后静息态 alpha 波变化不明显。为了明确脑区的变化情况，下面从刺激前后的静息态对心理旋转激活脑区的六个电极位置进行统计学分析，结果如图 7 所示。
图7
三组不同刺激前后 alpha 波段变化均值图（* P < 0.05，** P < 0.01）
Figure7.
The average change of alpha band before and after three groups of different stimuli (* P < 0.05, ** P < 0.01)
三组不同刺激条件下，统计结果发现阳极刺激后 F3、F4、O2 通道 alpha 波功率的下降有统计学意义（P < 0.05）；阴极刺激和伪刺激组差异无统计学意义。阳极 alpha 波功率降低，表明刺激后额叶和枕叶皮层兴奋度增加，大脑活跃度增加。
3 讨论
本研究中健康受试者的行为学结果表明，相较于阴极刺激和伪刺激来说，经过 1 mA、15 min 的阳极刺激，受试者的心理旋转测试中反应时间显著减少，正确率显著提高，并且差异有统计学意义（P < 0.01）。这表明经过阳极刺激后，受试者心理旋转能力的反应能力以及判断能力均有提高。
对于心理旋转测试范式而言，有文献报道电刺激后测试任务的绩效指标反应时间有显著变化，而正确率无变化，可能是文中测试素材相对简单，受试者的正确率绩效水平达到天花板效应；也有文章报道测试任务的绩效指标正确率差异有统计学意义，而反应时间无变化；还有文章报道正确率和反应时间两种绩效指标都有显著变化。因此，本文为了减少绩效指标出现天花板效应，重新设计了刺激素材，增加素材的扭转角度，经过预实验发现，受试者的正确率和反应时间均较之前的测试任务绩效水平下降。这表明经过重新设计的心理旋转素材减少了天花板效应，可以更好地体现刺激的效果。
对于刺激脑区而言，现有文献报道心理旋转能力的激活脑区有所不同，可能是由于刺激素材、个体差异等原因[26]，不同研究脑区位置不明确[27]。因此，本文首先针对心理旋转的激活脑区进行分析，分析静息态和任务态 alpha 波功率，结果发现三维心理旋转任务过程中，额叶、中央区、顶叶和枕叶都有显著激活，进而针对激活脑区分析心理旋转能力在刺激前后脑区的变化。
tDCS 阳极刺激被认为是激活大脑皮层神经元使大脑皮层更加兴奋，阴极是抑制大脑皮层神经元使大脑皮层兴奋度下降[28-29]。最近文章指出，阳极 tDCS 刺激降低了 alpha 波功率[30-31]。本文中，阳极刺激组静息态数据发现 alpha 波功率明显降低并有统计学意义，主要表现为以 F3、F4 为代表的额叶和以 O2 为代表的枕叶，而这两个脑区是心理旋转的激活脑区，这表明阳极刺激后皮层兴奋性增加，表现为任务绩效的提升。
经过阳极、阴极刺激和伪刺激的对照实验，发现阳极刺激可以提升绩效水平，alpha 波能量减少，其阳极施加位点为右侧顶叶 P4，也说明了右半球对于心理旋转能力起主要作用；而阴极刺激的阳极施加位点为左侧 P3，从而对绩效无影响，alpha 波能量增加，使大脑皮层兴奋性下降。也即是阳极刺激右侧对心理旋转能力有提升作用，阳极刺激左侧有抑制作用，从而表明了心理旋转的右半球优势。
4 结论
本实验通过采集健康受试者执行心理旋转能力时的行为学数据，以及在三种刺激条件下刺激前后的静息态脑电数据，对行为学数据和脑电数据进行分析。首先分析行为学数据，发现阳极刺激组受试者的心理旋转测试绩效水平显著提高；脑电数据 alpha 波功率谱分析，受试者执行心理旋转任务时，主要激活脑区有额叶、中央区、顶叶和枕叶，并且发现阳极刺激组额叶和右侧枕叶有显著差异。这些结果表明阳极刺激可以提升受试者的心理旋转能力。
利益冲突声明：本文全体作者均声明不存在利益冲突。
