经颅光生物调节对记忆任务态脑网络拓扑的影响研究

作     者：杜钊宁 

作者单位：河北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：熊鹏;李利聪

授予年度：2024年

学科分类：0710[理学-生物学] 07[理学] 071006[理学-神经生物学] 

主      题：光生物调节 工作记忆 刺激靶点 脑电图 脑网络拓扑 图论分析 

摘      要：经颅光生物调节是近年兴起的一种非侵入性神经调节技术,使用600至1400 nm波长范围内的激光或发光二极管将近红外光传递到大脑,在治疗创伤性脑损伤、精神或神经疾病以及增强认知能力方面表现了巨大的临床应用潜力。工作记忆在许多认知功能执行中具有至关重要的作用,光生物调节已被证明可以增强健康人的工作记忆能力,并且光生物调节对认知障碍相关疾病的治疗效果与对健康个体工作记忆能力的增强密切相关。然而,关于光生物调节对工作记忆能力的增强和其诱发的神经电生理效应之间的联系,尚未形成一致性结论。主要原因可能存在两个方面:一是,光生物调节的刺激参数复杂多样,如不同波长和刺激靶点。其中,左、右前额叶大脑皮层刺激靶点的选择仍存在争议,不同侧刺激靶点的研究结果具有较大差异。二是,大脑组织结构具有复杂性,导致单一事件相关电位生物标志物无法全面客观地揭示光生物调节对工作记忆能力的影响,在电生理效应层面的作用规律,需要更全面、更准确的表征方法。 为了探究光生物调节对人脑工作记忆能力增强的关键因素,本文开展了两项实验研究。首先,为了筛选最优光刺激靶点,本文量化对比了异侧前额刺激靶点的经颅光生物调节电生理反应差异,在静息状态下采集受试者光生物调节后的脑电数据,经过预处理和后处理计算功能连接构建大尺度脑网络,使用基于图论的复杂网络分析方法量化脑网络拓扑度量。然后,将静息态实验中筛选出的光刺激靶点用于记忆任务实验,通过分析t PBM对任务态脑网络拓扑的调节效应与记忆任务行为表现之间的相关性,建立光生物调节对健康人工作记忆的影响和其诱发的神经电生理效应之间的联系。 具体研究工作如下: (1)针对当前研究中尚未量化对比左、右侧前额叶皮层刺激靶点经颅光生物调节神经电生理效应的问题,本文开展了对健康人的异侧靶点光生物调节实验,受试者分为左侧前额光刺激组、右侧刺激组和对照组3组,采集每组受试者静息态脑电数据,构建脑功能网络,量化分析异侧靶点光生物调节对网络整体和局部拓扑度量的改变。结果显示不同侧靶点刺激下脑网络响应存在差异,靶向右侧前额叶皮层的刺激较靶向左侧的刺激在全脑功能连接层面改变幅度更大,并且右侧刺激对一些跨多个脑区的长程脑功能连接产生了显著的增强,促进了大脑远端区域和跨半球的信息交换。这些结果为后续实验提供了有效的光生物调节参数选择方案,并为研究经颅光生物调节的神经电生理效应提供了参考。 (2)针对目前光生物调节对健康人工作记忆能力的增强和其诱发的神经电生理效应之间的联系尚未得到深入研究的问题,本文设计了记忆任务态经颅光生物调节实验,对受试者前额叶皮层进行光照刺激,采集其执行2分钟3-back记忆任务下的脑电数据,构建脑网络进行分析并统计行为学结果,建立光生物调节神经电生理效应与工作记忆行为表现之间的联系,结果显示光生物调节可以诱导健康人工作记忆状态大脑信息处理的枢纽性和半球偏侧化改变,并且光生物调节对人类记忆认知的增强,可能是通过影响这种枢纽性和偏侧化实现的。这一结果为光生物调节对人类工作记忆能力增强在神经电生理效应层面的作用机制提供了新的见解,并为未来针对认知记忆能力下降方面的非药物干预奠定了基础。