北京師范大學宋艷課題組在《Science Advances》發表“經顱近紅外激光刺激提升人類工作記憶”的研究論文

聲明：本文章由宋艷教授授權發布，如有問題請咨詢瀚翔生物公眾號。

工作記憶——在幾秒鐘內主動“記住”有用信息的能力——在許多高級認知活動中起著至關重要的作用。由于工作記憶能力的個體差異可以預測流體智力和廣泛的認知功能，這使得提高工作記憶能力成為干預和增強的有吸引力的目標。

美國食品及藥品管理局聲稱經顱近紅外激光刺激(Transcranial photobiomodulation, tPBM)是一種非常有前途、經濟且安全的改善人類認知功能的替代方案[1]。如圖1所示，它的干預機制是利用近紅外光非侵入式地穿過顱骨進入大腦皮層，顱內神經元中的細胞色素c氧化酶(cytochrome c oxidase, CCO)通過吸收光子提升了自身在氧化磷酸化反應中的催化效率，在細胞層面表現為線粒體呼吸鏈反應中合成三磷酸腺苷(adenosine triphosphate, ATP)的效率提升，最終實現對神經元內線粒體的呼吸作用的調節[2]。最近，上海交通大學研究者發表在著名光學期刊Light: Science & Applications上的研究指出1070 nm的激光照射可以改善阿爾茨海默癥小鼠的認知障礙并減少β淀粉樣蛋白的沉積[3]。而在國內還沒有tPBM應用于改善人的認知能力的研究報道。

圖1. A手持經顱紅外激光刺激設備；B對右側前額進行TILS干預；C 激光的有效入射區域；D 群體水平的“刺激—反應”曲線[4]

2022年12月2日，北京師范大學認知神經科學與學習國家重點實驗室宋艷教授課題組課題組在《Science Advances》雜志上在線發表題為“Transcranial photobiomodulation enhances visual working memory capacity in humans”的研究論文。該研究通過四個雙盲對照實驗，被試接受光刺激和安慰劑照射之后，采集了90名正常成年人進行視覺工作記憶任務時的腦電和行為數據，研究首次論證了經顱光刺激技術對人類視覺工作記憶容量改善的有效性以及特異性。

如圖2所示，研究者發現1064 nm 光刺激作用于右側前額葉可以顯著提高個體的視覺工作記憶容量，并擴大工作記憶容量相關的事件相關電位（Event-Related potentials, ERP)成分——對側延遲活動（Contralateral Delay Activity, CDA)。重要的是，CDA的負載效應是光生物調節和工作記憶行為增強的中介。

圖2.1064nm 光生物調節刺激右側前額葉可以增大工作記憶容量相關的腦電指標，并預測行為的增益。

同時，研究者還發現光生物調節技術對工作記憶的行為改善具有波長和腦區特異性。如圖3所示，實驗三發現只有1064 nm的光刺激可以改善個體的工作記憶容量，而產生熱量一致的852 nm的光生物調節刺激則不會產生行為以及電生理上的顯著變化。另外，實驗四通過變更刺激腦區，發現1064 nm的光刺激對個體的工作記憶的提升效應消失。

圖3.光刺激對工作記憶的波長特異性。

該項研究工作得到了國家自然科學基金（31871099，61761166003）等項目的資助。北師大珠海校區博士后趙晨光和北師大宋艷課題組博士生李東偉為論文的并列第一作者，通訊作者為北京師范大學宋艷教授；宋艷課題組成員博士生孔元君，碩士生胡怡清，劉宏鈺參與了數據采集；美國德州大學劉漢莉（Hanli Liu）教授，英國伯明翰大學Ole Jensen教授，北師大李小俚教授和牛海晶副教授也對此項研究工作也做出了重要貢獻。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1126/sciadv.abq3211

1.Rojas, J.C. & Gonzalez-Lima, F. Neurological and psychological applications of transcranial lasers and LEDs. Biochemical pharmacology, (2013), 86, 447-457.

2.Saucedo, C.L., et al. Transcranial laser stimulation: Mitochondrial and cerebrovascular effects in younger and older healthy adults. Brain Stimul, (2021), 14, 440-449.

3.Tao, L., et al. Microglia modulation with 1070-nm light attenuates Abeta burden and cognitive impairment in Alzheimer's disease mouse model. Light Sci Appl, (2021), 10, 179.

4.Wang, X., et al. Up-regulation of cerebral cytochrome-c-oxidase and hemodynamics by transcranial infrared laser stimulation: A broadband near-infrared spectroscopy study. J Cereb Blood Flow Metab, (2017), 37, 3789-3802.