先前研究表明，Theta-Gamma振荡之间的跨结构和跨频耦合机制在工作记忆背后的神经机制中起着重要作用。然而，跨频耦合与工作记忆任务成绩之间的直接因果关系仍亟待验证。本文通过使用经颅交流电刺激(transcranial alternating current stimulation, tACS)的跨频操控方案调节前额叶皮层中 theta 和 gamma 节律的相互作用，从而影响人类的空间工作记忆任务表现。结果显示当Theta振荡的峰值与High Gamma振荡(80-100 Hz)的能量耦合时，空间工作记忆任务成绩明显提高以及整体新皮层连接增强，而Theta振荡的峰值与Low Gamma振荡则没有上述现象的出现。因此，我们的研究结果证明了工作记忆表现和整体新皮质连接对外部驱动的大脑皮层跨频同步的相位和节律的敏感性。本文发表在Current Biology杂志。(可添加微信号siyingyxf或18983979082获取原文，另思影提供免费文献下载服务，如需要也可添加此微信号入群，原文也会在群里发布)。 思影科技曾做过多期关于tACS脑刺激相关的文章解读，欢迎结合阅读，提高理解（直接点击即可浏览）：
交叉频率耦合在认知控制不同成分中的因果作用
AJP:经颅磁结合脑网络研究：精神分裂症的小脑-前额叶网络连接
经颅交流电刺激（tACS）有助于老年人工作记忆的恢复
tACS结合EEG研究:创造力的神经机制
经颅交流电刺激(tACS)：使大脑节律同步以提高认知能力
1.引言
神经元记录和分析技术的进步与发展拓宽了研究者对脑电的理解与认知：脑电是单一节律和跨频耦合等核心特征构成的复杂系统。大脑神经振荡的多层级结构整合了跨多个时空维度的功能性脑系统，因此，这意味着在外部信息输入和全局系统状态的快速局部神经元计算之间存在一个高精度时间协调的复杂解决方案。为了在神经网络中有效地传播和维护信息，神经元形成不同的细胞集合，诱发微观和宏观网络振荡。其特点是跨频相位-波幅耦合——功率与快慢振荡相位之间的同步现象。在海马和新皮层发现了与多种认知过程(如：记忆和注意力等)相关的跨频耦合。我们可以假设神经元活动的复杂组织对于高运算要求的认知过程尤其重要，例如工作记忆。工作记忆是指保持短期信息的能力，是众多认知过程的基础。工作记忆多重缓存模型认为短期信息由细胞集合的有序活动表征，多个项目在工作记忆中的保持由Theta嵌套的Gamma子循环完成。该模型的一个核心假设是，局部神经计算表征的不同Gamma子循环对应于不同的 Theta 相位，这允许通过振荡活动进行信息维护和分离。本研究中为了证明跨频耦合在空间工作记忆中的重要作用，当被试进行空间工作记忆任务时，左前额叶皮层(关键解剖区域之一)的神经元振荡被tACS夹带(entrainment)。普遍的观点认为，tACS夹带导致内源振荡和外加交流电的频率特定的相位重新排列，以及频率特定的功率增强。在这项研究中，传统的连续 theta (6 Hz) 刺激被用作工作记忆功能的标准有效干预。此外，考虑到工作记忆任务中增加的 theta-gamma 耦合与成功的项目记忆之间的相关性，我们加入了连续的 theta 和重复的 gamma 协同刺激——跨频tACS(图 2 )——目的是模仿新皮层中theta循环中gamma功率的自然分布。我们假设在theta 波的波峰或波谷期间High Gamma振荡的放大会加强或削弱内源性耦合，从而促进或阻碍受影响大脑区域的信息处理。因此，它也应该影响相应的功能网络，从而对成绩产生可观测的影响。这不仅将证实相位-幅度耦合的组织作用，而且还为开发更精细的刺激范式以调控正在进行的大脑活动提供可能性。
在本研究中，我们通过将正常人在空间工作记忆任务中的行为表现和脑电图 (electroencephalogram, EEG) 连接以及tACS 夹带调控的特征相联系，证实了相位-幅度耦合的因果关系。目前的研究结果表明，只有当重复的gamma脉冲被锁相到theta节律的峰值时，前额叶皮层中 theta 和 gamma 波的共同刺激才能增强空间工作记忆。此外，前额叶皮层中多项目保留的最佳high gamma频率在 80 到 100 Hz 之间。
在签署书面知情同意后，招募了 47 名裸视或矫正视力正常、无神经或精神疾病、无脑损伤或药物依赖性慢性病的症状或病史的健康成年志愿者(女性25 名，年龄范围为19 ~ 28 岁)，其中12 名志愿者报告了以前的经颅电刺激经验。16 名被试完成了实验一，14 名被试完成了实验二(因2名被试未完成全部任务而在数据分析中被排除)，另外15 名被试参加了对照实验。在任务期间或之后，没有被试报告任何与刺激相关的副作用。所有实验均按照赫尔辛基宣言进行，并经伦理委员会批准。被试连续进行了三个实验。每个实验包括随机和平衡顺序的4个阶段(Sessions)。每个Sessions至少间隔 48 小时。在任务开始前对所有被试都进行了任务介绍，以确保他们熟悉实验室和实验程序。每个Sessions包括 ：(1) 刺激前、静息态 EEG 记录；(2) 工作记忆任务； (3) 刺激后、静息态 EEG 记录。在参与者进行工作记忆任务时应用tACS。被试完成2-back视觉空间匹配任务。该任务是使用 PsychoPy 软件生成的。它由 80 个试验(trials)组成，任务持续时间大约 9 分钟(图 1)。在每个trial中，有三个事件(间隔 1-2 秒)：刺激(屏幕上出现一组3个或6个深蓝色点)，测试线索(屏幕上出现单个黑点)以及一个反应期。被试被要求在反应期间按下“是”或“否”按钮，指示测试图像中点的位置是否与之前试验中的刺激(2-back条件)相匹配。trial的顺序在整个Sessions中是伪随机的。被试通过专用反应按键(RB-740，Cedrus)进行反应。
图1 工作记忆任务
所有实验均在屏蔽声音和电磁信号的实验室中进行。使用专门的 EEG-tACS 系统 NEXT WAVE (EBS Technologies) 进行tACS和EEG记录。EEG记录采用10-20 系统，21 个标准位置的无源 Ag/AgCl电极，根据总平均参考信号记录EEG。采样率为2 kHz，模拟数字精度为24 位。tACS刺激是通过5个扁平的、圆形的橡胶电极 (r =1 cm) 传递的，这些电极在 EEG 帽下填充导电膏。根据国际 10-10 系统，中心电极位于 AF3 位置上方，四个相对的电极与 AF3 等距间隔 6 厘米(图2C )。刺激信号的采样率为1 MHz，模拟数字精度为 14 位 ( ≈0.5μA )。在存储器测试过程中，施加1 mA(峰值-基线)交流电 10 分钟，其中包括 10 秒的淡入和淡出期。阻抗保持在 10 kOhm 以下。
图2 主要刺激参数。
(A 和 B) 跨频经颅交流电刺激(transcranial alternating current stimulation, tACS) 方案的主要波形：叠加在连续、慢速交流电的峰 (A) 或谷 (B) 上的快速交流电的重复bursts。对于所有实验条件，连续分量的频率为6 Hz，这被认为对应于人类新皮层的 theta 范围。以 40 Hz ( CF-6,40p )、80 Hz ( CF-6,80p和CF-6,80t )、100 Hz ( CF-6,100p )、140 Hz ( CF-6,140p ) ) 或 200 Hz ( CF-6,200p )，涵盖gamma范围。跨频tACS 以 1 mA 的峰值-基线强度提供，其中 0.6 mA 专用于低频分量。
(C) 外加电场的模拟。有限元头部模型包括五个隔室：头皮、颅骨、脑脊液、灰质和白质。电场的最大强度是从 0 到 0.35 mV/mm 的颜色编码。
在第1个和第2个实验中，在session开始时短时间(30 秒)施加电流，然后关闭。这个过程会引起类似于真实刺激的皮肤感觉，而对大脑状态没有任何可观测的影响。在第2个实验中，为了控制记录电极可能的饱和，tACS 在整个时间内以 80 Hz 的频率使用，但强度较低(0.2 mA 峰值到基线)。这种低强度刺激对皮层兴奋性没有已知的影响，也不应该对任何其他参数产生显著影响。工作记忆任务表现数据的分析表明控制条件之间没有差异。2.6 单频交流电刺激(Single-Frequency Alternating Current Stimulation)：SF-6以 1 mA 峰值到基线的强度施加连续的 6 Hz正弦刺激。2.7 跨频交流电刺激(Cross-Frequency Alternating Current Stimulation)：CF-“Theta-Gamma 频率”这种刺激由两个叠加部分组成：连续的慢波和快速振荡的重复bursts。慢波分量是 6 Hz正弦刺激，每个相应条件下的峰值到基线电流为 0.6 mA。快波分量频率为 40 Hz(条件CF-6,40t)、80 Hz(CF-6,80t和CF-6,80p)、100 Hz(CF-6,100p)、140 Hz(CF-6,140p)、或 200 Hz ( CF-6,200p )，强度 0.4 mA 峰值到基线。bursts与连续波同步，并在每个波谷[trough] ( CF-6,80t ) 或波峰[peak] ( CF-6,40p , CF-6,80p , CF-6,100p ,CF-6,140p和CF-6,200p)期间持续50ms。分量的时间精确控制是通过专用硬件实现的，并用示波器进行监控。2.8 Gamma-Burst 刺激：Bursts以 0.4 mA (峰值到基线) 具有正或负 DC 偏移的电流(Bursts +或Bursts−)施加 80 Hz 交流电bursts 50 ms，每秒 6 次。总强度等于 1 mA (峰值到基线)。这些刺激条件希望在没有连续慢波分量的情况下重现CF-6,80t和CF-6,80p条件。根据国际 10-10 EEG 系统，主刺激电极始终位于 AF3 点上方。四个返回电极在主电极周围以 6 厘米的距离等距分布。这种电极蒙太奇被用来影响左前额叶皮层。通过模拟施加的电场来验证解剖靶点。使用 SimNIBS 2生成并求解了真实的有限元模型。模型中使用了以下分层：头皮 (σ = 0.465 S/m)、颅骨 (σ = 0.010 S/m)、脑脊液(σ = 1.654 S/m)、灰质 (σ = 0.275 S/m)、白质 (σ = 0.126 S/m)。网格的后处理和可视化使用Gmsh。由此产生的电场确认左前额叶皮层为目标区域(图2C)。使用信号检测理论分析工作记忆任务表现。命中率(Hit rates)和误报率(false alarm rates)组合在灵敏度指标 d' 中，计算公式如下：
根据相关理论，灵敏度指数 d' 表示一侧的信号加噪声分布的均值与另一侧的噪声分布的均值之间的距离，其中噪声分布的均值为0且两个分布的 SD 均为1。在认知科学中，d' 被用作有响应任务中被试敏感性的无偏差度量。虽然敏感性指数是一个无量纲的统计量，但我们进行了2-back视觉空间匹配样本测试的计算模拟来确定随机行为的参数：d' = 0 ± 0.77(平均值 ± 99% 置信区间)。因此，对于给定的工作记忆测试，指数 d' 偶然超过 0.77 的概率小于 0.5%。鉴于本研究的交叉设计，使用线性回归模型控制学习效果的显著性，其中“Sessions 顺序”作为分类预测变量，d'作为响应变量。使用广义线性混合效应模型测试刺激对记忆表现的影响，其中“刺激条件”作为固定效应因子，“参与者id”作为随机效应因子。使用最大伪似然法估计模型的参数，并使用对数连接函数进行拟合。应用边际方差分析来估计固定效应因子的显著性。随后，非参数置换 t 检验(p ≤ 0.05)用于条件之间的成对比较。对于此测试，使用置换方法(5000 次迭代)为每次比较估计了 T 分数的零假设分布。 然后将真实观察到的T分数与零分布进行比较，并做出二元决策，确定在零假设下观察到的T分数发生的几率是否为5%或更低。单独地，使用估计器Hedges’g计算每个真实刺激条件下与假刺激相比的标准化平均差的效应大小。【与其他方法相比，Hedges’g估计量在样本量方面没有偏差。通常将 Hedges 的 g > 0.8 解释为大效应，将 g > 0.5 解释为中等效应，将 g > 0.2 解释为小效应。】使用MATLAB 8.5 (MathWorks) 和 FieldTrip 工具箱分析 EEG 数据。最初，所有数据集都使用八阶非因果Butterworth IIR滤波器进行1~45 Hz带通滤波，并分成长度为2s 的 epoch，重叠率为50%。然后将epoch线性去趋势化并降采样到 1 kHz。随后使用过继z 阈值半自动分析它们是否存在眼部和肌肉伪迹。具有极端差异值的trials被删除。由于技术原因，180 个sessions中有 4 个sessions的数据被完全排除。在传感器空间中计算了相位连接。首先，使用多线程方法对每个trial进行频率分析。我们将注意力集中在从半谐波 (3 Hz) 到二阶谐波 (12 Hz)的频带上，该频带围绕 6 Hz 的承载节律构成了我们所有 tACS 的基础。计算每对电极的无偏加权相位滞后指数 (weighted phase lag index, wPLI) 并在trials中取平均值。【与其他方法相比，加权相位滞后指数具有对不同来源的容积传导和噪声敏感度低的优势。此外，它在样本量方面是无偏的。】最后，对于每种情况，使用 MATLAB非参数置换 t 检验(5000 次迭代，p ≤ 0.01)比较刺激前和刺激后相位滞后指数。使用 BrainNet Viewer 可视化相位连接差异图。然后为每个条件估计连通性指数，如下所示：CI = sp_sig / sp_total，其中 sp_sig 是传感器对的数量，表明连通性的显著调制，sp_total 是传感器对的总数。引入了置换检验来估计显著性水平。为此，与刺激前后所有条件对应的 wPLI 矩阵被随机置换以生成虚拟数据。这些数据按上述方式进入分析。该过程重复 10000 次，所得连通性指数分布用于估计 95% 置信区间。超过此区间的连通性指数(给定数据集的 CI ≥ 0.075)被认为具有统计学意义。如果您对脑功能及脑结构数据处理感兴趣，欢迎浏览思影科技数据处理课程及服务（可添加微信号siyingyxf或18983979082咨询，另思影提供免费文献下载服务，如需要也可添加此微信号入群)：
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在实验过程中，被试执行了视觉空间工作记忆任务的预定义版本之一(图 1)。Sessions顺序和任务的版本是随机的，并在被试间平衡。采集个体命中率和误报率以确定干预的行为结果。根据信号检测理论，给定条件下的记忆表现计算如下：d′=Z(“hit rate”)-Z(“false alarm rate”)，其中 Z(p), p[0,1]。在进行工作记忆任务的同时，将 tACS 应用于左前额叶皮层(图2C )。在测试和刺激程序之前和之后立即记录静息态 EEG，并进一步分析以估计相位连接。3.1 Theta-Gamma 耦合组织空间工作记忆在实验1中，我们评估了被试在接受虚假刺激(对照)、连续单频 theta 刺激(SF-6)或 theta-gamma跨频 tACS 时的空间工作记忆表现(图2A 和 2B，CF-6,80p和CF-6,80t)。然后使用广义线性混合效应方法对刺激对 d' 的特定被试影响进行建模。随后的边际方差分析证明了刺激对记忆性能的显著性 (F(3,60) = 5.04，p = 0.004)。后续的成对置换 t 检验(5000 次迭代，p ≤ 0.05)结果显示，虽然连续 theta 刺激如预期的那样提高了记忆表现(图 3A)，但跨频刺激的效果取决于刺激信号的相位-振幅结构。High Gamma bursts与Theta振荡波谷的同步抵消了连续低频夹带本身的积极影响；然而，相反的模式大大提高了其有效性。对于与虚假刺激相关的每个条件，估计在标准化平均差异方面的影响大小：g SF-6 = 0.19, g CF-6,80t = 0.1, g CF-6,80p = 0.48。
图3 工作记忆任务表现。
(A-C) 根据敏感性指数d'估计了以下条件下的平均工作记忆表现： (A) 假刺激(对照)；连续 6 Hz tACS ( SF-6 )；
(B) 6 Hz 和 40、80、100、140 和 200 Hz 之间的跨频 tACS(CF-6,40p、CF-6,80t、CF-6,80p、CF-6,100p、CF-6,140p , 和CF-6,200p );
(C) 具有正或负直流偏移的 80 Hz tACS 刺激(Bursts +和Bursts−)。根据 bootstrap t 检验(*p ≤ 0.05)。图下方的彩色云描绘了相应的刺激波形。
(D-F) 记忆测试期间的平均反应时。根据广义线性混合效应模型(p ≤ 0.05)，没有观察到统计学上的显著差异。
反应时分析显示，在刺激上，反应时没有显著变化(图3D；F (3,60 ) = 0.72，p = 0.54)。根据线性回归模型(p = 0.76，R 2 = 0.02)，Sessions顺序对记忆性能的影响不显著。在下一步中，我们计算了大脑活动的变化如何反映了记忆任务表现的变化。这揭示了全局相位连通性的增加与空间工作记忆改善之间的强关联。连通性指数 (connectivity index, CI) 表示加权相位滞后指数显著增加的传感器对比例，表明条件之间存在明显差异(图 5A和 5D)：在安慰剂和无效刺激后，相位连通性的变化很小(CI Control = 0.024 和 CI CF-6,80t = 0.005)但在成功干预工作记忆过程后差异变化显著(CI SF-6 = 0.090 和 CI CF-6,80p = 0.105)。置换检验表明 CI = 0.075，对应于5%的显著性水平。综合行为和电生理数据，我们可以得出结论：跨频tACS 有效地增强了受影响大脑区域的工作记忆任务表现，但前提是high gamma振荡与theta波峰同步。以上结果表明，high gamma功率波动维持和 theta相位的精确时间节律不仅是一种相关现象，而且是成功存储、操纵和/或回忆空间工作记忆中信息的重要前提。根据第一个实验的结果，最有趣的问题之一是快速振荡活动的确切频率对于维持 theta-gamma耦合的重要性。尽管新皮层中theta节律的特征及其在记忆过程中的作用众所周知，但关于high gamma节律的频带和最佳记忆任务表现的数据存在矛盾。之前的一些相关发现表明，空间工作记忆表现可以用 60-100 Hz 范围内的 theta 锁相功率波动来解释，而其他研究证明空间工作记忆中更快的振荡(100-200 Hz)更为重要。此外，研究者认为这些参数高度依赖于生理结构和认知任务的类型。因此，在研究2中通过引入一个新变量——快速振荡成分的频率(100 Hz、140 Hz和 200 Hz)，修改了研究一中的跨频 tACS ( CF-6,80p )刺激方案。后续带有边际方差分析的广义线性混合效应模型证实了与刺激相关的工作记忆表现的增强(图3 B；F(3,52) = 2.95, p = 0.04)。置换 t 检验(5000 次迭代，p ≤ 0.05)表明，在 80-200 Hz 范围内的快速振荡成分的任何频率下，tACS 显著增强了空间工作记忆表现，因为high gamma与 theta 波峰同步。然而，最高的效应大小对应于 80–100 Hz 的bursts (图 4；g CF-6,80 p = 0.48 和 g CF-6,100 p = 0.45)，然后逐渐降低(g CF-6,140 p = 0.35和 gCF-6,200 p = 0.26)。
图4 跨频tACS期间的表现变化。相对于虚假刺激，跨频tACS 参数CF-6,80t (在 6 Hz 波的波谷上的 80 Hz bursts)、CF-6,40p、CF-6,80p、CF-6,100p、CF-6,140p和CF-6,200p (40、80、100、140和 200 Hz 在 6 Hz 波的峰值上bursts，如彩色云图所示) 在工作记忆任务表现中的标准化平均差异。使用无偏估计量 Hedges' g 进行计算。在条件之间没有观察到反应时的变化(图3 E；F (3,52 ) = 0.34，p = 0.79)。线性回归测试发现Sessions顺序会影响工作记忆容量(p = 0.92，R 2 = 0.01)。研究还考虑了跨频电刺激调控对大脑活动的影响。这些结果证实了相位连接的显著增加与成功的 tACS 调控之间的相关(图5B和5E)。连通性指数作为相位滞后指数全局变化的衡量指标，达到了 CI CF-6,100p = 0.119、CI CF-6,140p = 0.100 和 CI CF-6,200p = 0.091 的水平，相比之下，假刺激后增幅不大(CI Control = 0.043)。置换检验表明 CI = 0.075 对应于 5% 的显著性水平。
图5 相位连接差异图。
(A-C)在测试刺激程序之前和之后的每个session期间记录静息态 EEG，持续 3 分钟。为了量化大脑状态的变化，使用无偏加权相位滞后指数算法估计相位连接，并与非参数置换 t 检验 (p≤0.01) 进行比较。在图中，测试后相位连通性显著增加的传感器对是连接的。刺激波形见彩色云图。
(D-F) 连通性指数表示给定条件下相位连通性的整体增加。灰色区域表示置换检验的统计显著性水平 ( * p ≤ 0.05)。
实验2的结果表明，跨频耦合的特点是参数相对稳定，不仅在时域方面，而且在频率方面。最佳时机和节律与功能和解剖基底的特性密切相关，这似乎是合理的。本研究中，我们能够证明在新皮层中对相位-幅度耦合进行实验调控的可行性；进一步的研究可能会进一步缩小最佳参数。此外，我们的数据表明 theta-gamma 耦合体现在有效频率范围内，而不是体现在单个精确振荡中。这一观察结果与功能性大脑网络具有最佳生理状态的观点一致。为了检测慢速和快速振荡成分之间相互关系对跨频 tACS 的重要作用，我们进行了第3个对照实验。在被试进行工作记忆任务时，提供具有正 ( Bursts + ) 或负 ( Bursts- ) 直流偏移的 80 Hz 交流电bursts。这些刺激条件可以看作是先前刺激方案(CF-6,80p和CF-6,80t)的变体(缺少连续 6 Hz 成分)。此外，以low gamma节律 (40 Hz) 作为较快成分的跨频tACS——CF-6,40p 条件——被引入以解释所观察到的影响与gamma节律相关的频率特异性。本研究中，广义线性混合效应模型显示刺激对工作记忆性能没有显著影响(图3 C；F (3,56) = 0.51，p = 0.68)。给定刺激条件对测试前后全脑 EEG相位连接没有影响(图 5C 和 5F)。与之前的数据相比，这些结果驳斥了两种替代可能性：(1) high gamma bursts本身可以提升跨频 tACS 期间工作记忆任务的表现；(2)前额叶皮层中的low gamma节律反映与high gamma振荡相同的过程。显然，前额叶皮层中 40 Hz 活动的调控并没有提高视觉工作记忆任务的表现。此外，没有观察到反应时的变化(图 3F；F (3,56) = 0.53，p = 0.66)。总之，这些发现进一步支持了工作记忆任务期间前额叶皮层中Theta和high gamma耦合的关键作用。本研究的目的是调查Theta-Gamma相位-振幅耦合在空间工作记忆中的因果作用。为了以非侵入性和可逆的方式夹带神经振荡活动，我们在左前额叶皮层上选择性地使用了tACS，这是支持人类空间工作记忆的网络中的关键节点。为了研究神经振荡活动的潜在影响及其确切的时空关系，我们使用了传统的单频以及新颖的跨频 tACS技术。旨在模拟Theta节律上的gamma能量分布，这是工作记忆任务期间神经振荡模式的自然特征。本研究的行为学和EEG分析揭示了三个主要发现：(1)单频和跨频 tACS 都改变了大脑活动的 EEG 特征并提高了空间工作记忆任务表现；(2)当Gamma bursts与Theta峰值耦合时，跨频tACS优于单频tACS；(3) 跨频tACS 中快速振荡成分的最佳频率不限于单个精确频率，而是以80~100 Hz之间相对较宽的频率范围为特征。空间工作记忆任务需要在没有外部刺激的情况下保留空间信息，这在解剖学上设计一个分布式网络，包括前额叶和后顶叶皮层以及基底神经节和海马。跨神经结构的有效信息传输需要神经振荡活动的时空协调，这在最近被具体化为神经振荡层级理论。越来越多的相关结果表明，能够整合更多神经元的较慢频率，例如theta振荡，促进了这种跨结构、跨频率的神经交流。有研究者提出，theta 节律形成一个时间结构，组织gamma编码单元，从而防止它们混合，并允许神经计算的精细处理和传输。然而，由同步群体活动产生的细胞外介质中的电压波动是否具有任何功能相关性，或者它是否仅仅是一种附带现象，仍存在长期争论。根据神经元间接触的(ephaptic) 耦合假设，细胞膜外电压梯度确实起到了功能反馈作用——例如，通过影响尖峰场相干性——并影响膜电位。为了揭示细胞外场跨频特性的真正功能作用，我们通过新的tACS技术人为地操纵了前额叶皮层的电刺激。在本研究中，我们通过模拟生理条件下空间工作记忆中的 theta-gamma 相位-振幅耦合的低波幅合成电场，为细胞外电压梯度的功能重要性提供了足够的证据。早期的研究表明，低强度的外场(弱至 0.2-0.3 mV/mm)可以对神经元局部神经活动产生可检测的影响。神经传导理论认为，“感受器”和“效应器”网络之间的神经信息传递受神经传导网络的网络动态(主要是相位)控制。事实上，工作记忆多重缓存模型的一个核心假设是Gamma子循环嵌套在 theta 节律的首选阶段。本研究的发现与这些模型的预测出奇一致，因为跨频tACS技术仅在high gamma能量耦合在 theta 节律的波峰值时才有效，而不是在theta 节律的波谷上。此外，本研究展示了跨频概念在无创改变大脑活动和提高工作记忆任务表现方面的潜在应用。本研究结果也具有临床意义；许多研究报告了在某些神经和精神疾病过程中出现的异常交叉频率耦合，如帕金森综合征、精神分裂症和焦虑症。然而，需要更多更为详细的研究以明确揭示跨频 tACS 的行为相关性，以及其是否在工作记忆任务中编码、维持或回忆阶段起作用。此外，还需要进一步的研究来揭示前额叶皮层中的跨频tACS是否直接调控high gamma振荡。由于本研究使用表面EEG来记录 tACS 前后的大脑活动，对high gamma振荡的研究在技术上是不可行的。因此，需要使用额外的神经影像学技术，如sEEG或MEG来推动跨频tACS对振荡活动影响的研究。总的来说，目前的结果支持和扩展了新皮层神经振荡的跨频层级理论。我们证明了空间工作记忆对theta和gamma频带节律的相位-振幅组织的依赖性，以及这种频带的合理频率特异性。未来要进一步研究跨频耦合以阐释多个刺激区域的作用以及 theta和gamma振荡之间的强弱关系，这将为科学研究和临床实践提供一个极具潜力的研究方向。本文通过因果推理实验表明前额叶皮层Theta-Gamma跨频耦合在工作记忆中的作用。使用跨频tACS (transcranial alternating current stimulation)技术揭示了工作记忆任务表现中Theta-Gamma节律相位和频率的特异性。发现：Theta 和 Theta-gamma tACS都可以提高工作记忆任务的成绩。并且，Theta-gamma tACS对工作记忆任务的成绩影响比Theta tACS更大。此外，Theta波峰而非波谷的High Gamma功率可以提高记忆。Gamma的理想频率范围为80~100Hz。
