本文Modulating cortical excitability and cortical arousal by pupil self-regulation發(fā)表于2025年5月的 Nature Communications（IF=15.7），來自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的 Marieke Lieve Weijs 等人為本文的第一作者。

研究背景

大腦的覺醒狀態(tài)（即中樞覺醒）影響各種正在進(jìn)行的高級(jí)認(rèn)知過程，并受多個(gè)神經(jīng)調(diào)節(jié)核控制，包括去甲腎上腺素能（NA）、藍(lán)斑核（LC）以及多巴胺能和膽堿能等。通過利用藍(lán)斑（中央覺醒的關(guān)鍵調(diào)節(jié)器）和瞳孔動(dòng)態(tài)之間的機(jī)制聯(lián)系，已經(jīng)證明了受試者可以通過基于瞳孔的生物反饋方法獲得對包括藍(lán)斑在內(nèi)的覺醒調(diào)節(jié)中心的意志控制。本研究將基于瞳孔的生物反饋與單脈沖經(jīng)顱磁刺激、腦電圖和聽覺oddball任務(wù)相結(jié)合，探究基于瞳孔的生物反饋是否調(diào)節(jié)皮質(zhì)興奮性、皮質(zhì)覺醒和P300反應(yīng)的電生理標(biāo)記。

研究方法

01 實(shí)驗(yàn)一

實(shí)驗(yàn)1探究基于瞳孔的生物反饋結(jié)合單脈沖經(jīng)顱磁刺激（TMS）研究瞳孔自我調(diào)節(jié)如何影響運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位（MEPs）測量的皮質(zhì)興奮性(圖1)。

圖1 基于瞳孔的生物反饋技術(shù)與單脈沖經(jīng)顱磁刺激（TMS）相結(jié)合，旨在探究瞳孔自我調(diào)節(jié)如何影響通過運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位（MEP）測量皮質(zhì)興奮性。

所有受試者都經(jīng)歷了2種調(diào)節(jié)（上調(diào)和下調(diào)）和1個(gè)靜息控制條件：(i)上調(diào)，即放大瞳孔；（ii）下調(diào)，即縮小瞳孔；（iii）靜息控制條件，受試者的任務(wù)是保持自己思想的自由漫游，不使用調(diào)節(jié)策略。每個(gè)條件重復(fù)兩次（即總共6個(gè)block），條件的順序是偽隨機(jī)的，并在受試者之間進(jìn)行平衡。每組由10個(gè)試次組成，從1秒的指示階段開始，給出自我調(diào)節(jié)或?qū)φ諚l件的提示，然后是4秒的基線測量。然后，受試者應(yīng)用訓(xùn)練過的心理策略來調(diào)節(jié)瞳孔大小15秒，或者休息。在自我調(diào)節(jié)或靜息階段，輸出兩個(gè)經(jīng)顱磁刺激脈沖到初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層，第一個(gè)脈沖在調(diào)節(jié)開始后的3-4秒施加，第二個(gè)脈沖在調(diào)節(jié)開始后的11秒之內(nèi)施加。每次調(diào)節(jié)條件、試驗(yàn)結(jié)束后，被試均獲得反饋（見圖2）。每次實(shí)驗(yàn)均連續(xù)記錄瞳孔大小和心電圖。

圖2 實(shí)驗(yàn)1-3的流程

TMS參數(shù)設(shè)置

本研究使用單脈沖TMS，強(qiáng)度為120% RMT。在上調(diào)、下調(diào)或靜息控制條件下，分別在瞳孔調(diào)節(jié)階段輸出兩個(gè)TMS脈沖。第一個(gè)脈沖在調(diào)節(jié)（或休息）開始后3 - 4秒之間，第二個(gè)脈沖在11秒之后，以避免TMS脈沖預(yù)期。每個(gè)試次發(fā)送兩個(gè)脈沖，每種情況下收集40個(gè)MEPs樣本。

02 實(shí)驗(yàn)二

實(shí)驗(yàn)2將基于瞳孔的生物反饋與腦電圖相結(jié)合，研究瞳孔自我調(diào)節(jié)如何影響譜斜率（一種覺醒的皮層標(biāo)記物）。本研究假設(shè)，與瞳孔縮小時(shí)（藍(lán)色）相比，在瞳孔放大（紅色）（表明更高的喚醒）期間，光譜斜率（皮質(zhì)喚醒的全局標(biāo)記）更平坦。右邊的條形圖顯示了估計(jì)的譜指數(shù)（圖3）。

圖3 以瞳孔為基礎(chǔ)的生物反饋與腦電圖相結(jié)合，研究瞳孔自我調(diào)節(jié)如何影響譜斜率

基于瞳孔生物反饋的瞳孔測量記錄

在這里，只報(bào)告基于瞳孔的生物反饋訓(xùn)練第3天的數(shù)據(jù)，同時(shí)記錄了腦電圖和心電圖數(shù)據(jù)。在每次訓(xùn)練中，受試者共進(jìn)行60個(gè)試次，分為3個(gè)上調(diào)和3個(gè)下調(diào)block，每個(gè)block由10個(gè)試次組成。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，對瞳孔大小的調(diào)節(jié)方向進(jìn)行2秒的提示（放大或縮小瞳孔大?。缓筮M(jìn)行3秒的基線測量。在接下來的實(shí)驗(yàn)中，受試者在調(diào)節(jié)階段運(yùn)用他們的心理策略來調(diào)節(jié)瞳孔直徑的大小。

腦電記錄

腦電圖記錄（均為德國Brain Products公司生產(chǎn)，深圳瀚翔腦科學(xué)技術(shù)股份有限公司全國總代理）。使用64導(dǎo)鹽水電極、actiCHamp Plus放大器和腦電信號(hào)記錄軟件BrainVision Recorder以1kHz的頻率記錄基于瞳孔的生物反饋過程中的腦電信號(hào)。使用actiCAP SNAP支架根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的國際10-20系統(tǒng)將電極放置在腦電帽中。

03 實(shí)驗(yàn)三

實(shí)驗(yàn)3將瞳孔生物反饋與腦電相結(jié)合，研究瞳孔自我調(diào)節(jié)如何影響目標(biāo)音調(diào)的譜斜率和P300事件相關(guān)電位（ERP）成分，這是藍(lán)斑（LC）活動(dòng)的電生理標(biāo)志物。研究假設(shè)瞳孔縮?。ㄋ{(lán)色）時(shí)的斜度比瞳孔放大（紅色）時(shí)的斜度更陡，并進(jìn)一步研究斜度是否會(huì)隨著目標(biāo)色調(diào)的變化而變化。此外，研究假設(shè)當(dāng)受試者在目標(biāo)音調(diào)之前瞳孔縮?。ㄋ{(lán)色）時(shí)，P300會(huì)比瞳孔放大（紅色）時(shí)更大。圖4中的聲音圖標(biāo)代表在oddball任務(wù)中播放的標(biāo)準(zhǔn)（淺灰色）和目標(biāo)音調(diào)（深灰色）（圖4）。

圖4 在oddball任務(wù)中播放的標(biāo)準(zhǔn)（淺灰色）和目標(biāo)音調(diào)（深灰色）

研究結(jié)果

01 實(shí)驗(yàn)一結(jié)果

盡管在調(diào)節(jié)階段施加了兩個(gè)經(jīng)顱磁刺激脈沖，但研究受試者能夠自主地放大和縮小瞳孔大?。▓D5）。瞳孔大?。▓D6）在上調(diào)期間比下調(diào)時(shí)顯著增大。當(dāng)受試者將自我調(diào)節(jié)策略應(yīng)用于放大瞳孔時(shí)，皮質(zhì)興奮性顯著增加了。

圖5 基于瞳孔的自我調(diào)節(jié)對皮質(zhì)興奮性和心血管激活的影響

注：TMS 脈沖作用的時(shí)間進(jìn)程，包括上調(diào)、下調(diào)和控制休息試驗(yàn)?；疑幱皡^(qū)域表示 TMS 脈沖的時(shí)間點(diǎn)，其中第一個(gè)脈沖在 3 - 4 秒之間施加，第二個(gè)脈沖在調(diào)節(jié)開始后 11 秒施加。每個(gè)試次都以基線測量開始（直到虛線），隨后是 15 秒的調(diào)節(jié)/休息階段，在此期間施加了 2 個(gè) TMS 脈沖。

圖6 在每次經(jīng)顱磁刺激脈沖前的 150 毫秒內(nèi)，在上調(diào)、下調(diào)和對照條件下，瞳孔大小均有所變化。

注：在上調(diào)期間，修正后的基線瞳孔大小變化明顯大于下調(diào)和對照試驗(yàn)組；下調(diào)期間的瞳孔大小變化沒有顯著低于對照組。

02 實(shí)驗(yàn)二結(jié)果

正如假設(shè)的那樣，在瞳孔縮小期間的譜斜率明顯比瞳孔放大期間更陡峭（圖 7）。

圖7 針對 30 - 45 Hz頻段所估算的光譜斜率，表明在瞳孔縮小時(shí)的斜率明顯比放大時(shí)的斜率更陡峭

對于 2 - 40 Hz范圍內(nèi)估計(jì)的譜斜率的類似趨勢水平結(jié)果表明，在瞳孔縮小調(diào)節(jié)期間的皮質(zhì)覺醒狀態(tài)低于瞳孔放大調(diào)節(jié)期間，且這種差異僅在自我調(diào)節(jié)期間存在，尤其是在自我調(diào)節(jié)開始后的 3 - 6 秒，而在基線期間不存在（圖8）。

圖8 在基線（即-3-0s）和調(diào)節(jié)期間（0- 3s、3- 6s、6- 9s、9- 12s、12- 15s）的3 s時(shí)間區(qū)間內(nèi)，所有上調(diào)和下調(diào)試次通道在30- 45hz的平均估計(jì)頻譜斜率。

瞳孔自我調(diào)節(jié)對腦電圖測量的全部皮質(zhì)覺醒具有調(diào)節(jié)作用（圖9）。

圖9 在基線（即-3-0秒）和調(diào)節(jié)階段（0-3秒、3-6秒、6-9秒、9-12秒、12-15秒）的時(shí)間區(qū)間內(nèi)，所有上調(diào)和下調(diào)試次在30-45 Hz的平均頻譜斜率估計(jì)。

瞳孔調(diào)節(jié)指數(shù)（上調(diào) - 下調(diào)）與頻譜斜率變化（上調(diào) - 下調(diào)）之間存在顯著的正相關(guān)，因此，更好的瞳孔自我調(diào)節(jié)與更大的頻譜斜率差異相關(guān)（圖10）。

圖10 瞳孔和皮質(zhì)覺醒標(biāo)志物之間存在顯著的線性關(guān)系

03 實(shí)驗(yàn)三結(jié)果

相比于上調(diào)和控制組，下調(diào)期間譜斜率更加陡峭（圖11）。

圖11 在30-45 Hz時(shí)所有通道向上、下調(diào)節(jié)和控制試次的光譜斜率

在下調(diào)和控制條件下，P300 的表現(xiàn)存在顯著差異（圖12-14）,這種差異表現(xiàn)為，在整個(gè)中央頂葉區(qū)域，下調(diào)的幅度高于對照條件的調(diào)節(jié)幅度，并且這種差異在聲音開始后的 252 至 560 毫秒之間最為顯著，這與 P300 的預(yù)期時(shí)間特性和空間特性相吻合。同時(shí)，下調(diào)和上調(diào)條件之間的 P300 也有顯著差異。但是，P300在上調(diào)和控制條件之間沒有顯著差異。

通過比較P300對標(biāo)準(zhǔn)聲音和目標(biāo)聲音的反應(yīng)，進(jìn)一步證實(shí)了瞳孔自我調(diào)節(jié)作用對目標(biāo)誘發(fā)P300的特異性?？偟膩碚f，目標(biāo)聲音在252 ~ 600 ms期間的平均振幅顯著高于標(biāo)準(zhǔn)聲音（圖14）。

圖12 oddball任務(wù)期間的平均ERP波形

圖13 下調(diào)和控制組的P300存在顯著的差異

圖14 下調(diào)期間的P300振幅顯著高于控制組

研究結(jié)論

本研究將基于瞳孔的生物反饋與（i）單脈沖經(jīng)顱磁刺激（TMS）、（ii）腦電圖（EEG）記錄以及（iii）同時(shí)進(jìn)行的聽覺oddball任務(wù)相結(jié)合，揭示了三個(gè)主要發(fā)現(xiàn)：首先，瞳孔自我調(diào)節(jié)顯著影響了用 TMS 測量的皮質(zhì)興奮性。其次，無論是在僅自我調(diào)節(jié)的條件下還是在自我調(diào)節(jié)與聽覺oddball任務(wù)同時(shí)進(jìn)行的雙任務(wù)設(shè)置中，瞳孔自我調(diào)節(jié)均顯著影響了腦電圖功率譜的斜率（即頻譜斜率），這是人類皮質(zhì)覺醒的電生理標(biāo)志物，可通過捕捉興奮/抑制比的變化來反映內(nèi)在興奮性。第三，瞳孔自我調(diào)節(jié)顯著影響了目標(biāo)音調(diào)引發(fā)的 P300 反應(yīng)。

總之，本研究結(jié)果表明，通過基于瞳孔的生物反饋訓(xùn)練獲得的瞳孔自我調(diào)節(jié)能夠調(diào)節(jié)大腦皮層興奮性和喚醒度的標(biāo)志物。尤其是瞳孔和皮質(zhì)喚醒度測量之間的相關(guān)性支持了存在共同潛在生理機(jī)制的解釋。同樣，通過瞳孔自我調(diào)節(jié)對 P300 的系統(tǒng)性反應(yīng)調(diào)節(jié)，補(bǔ)充了前人研究的瞳孔擴(kuò)張隨瞳孔相關(guān)喚醒狀態(tài)變化的情況。未來的研究需要確定基于瞳孔的生物反饋是否能進(jìn)一步用于調(diào)節(jié)與神經(jīng)和精神疾病相關(guān)的方面。

聲明

本文由科教支持部整理，歡迎批評指正。

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