CN110621375B - 可操纵的经颅干预以加速记忆巩固的系统、介质与方法 - Google Patents

可操纵的经颅干预以加速记忆巩固的系统、介质与方法 Download PDF

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Abstract

描述了可操纵的经颅干预以加速记忆巩固的系统、介质与方法。在操作期间，所述系统生成独特的经颅且可操纵的刺激标记，以与任务或事件的记忆相关联。一旦生成了所述标记，在要巩固的事件或任务发生期间，所述系统就激活多个电极(例如，少至四个)以施加所述独特的经颅刺激标记。

Description

可操纵的经颅干预以加速记忆巩固的系统、介质与方法
政府权利
本发明是在美国政府的支持下做出的，美国政府合同编号W911NF-16-C-0018,DARPA RAM Replay。政府在本发明中具有特定权利。
相关申请的交叉引用
本申请是2016年10月24日提交的美国申请No.15/332,787的部分继续申请，美国申请No.15/332,787是2015年10月23日提交的美国临时申请No.62/245,730的非临时申请，其全部内容通过引用并入于此。
本申请还是2016年8月3日提交的美国申请No.15/227,922的部分继续申请，美国申请No.15/227,922是2015年8月27日提交的题为“Method to Enhance SpecificMemories with tCS During Slow-Wave Sleep”的美国临时专利申请No.62/210,907的非临时申请，并且美国申请No.15/227,922是2015年8月27日提交的题为“TranscranialIntervention to Weaken Traumatic Memories”的美国临时专利申请No.62/210,890的非临时申请，并且美国申请No.15/227,922是2015年10月28日提交的题为“MappingTranscranial Signals to Transcranial Stimulation Required to Reproduce aBrain State”的美国临时申请No.62/247,435的非临时申请，其全部内容通过引用并入于此。
本申请还是2018年4月6日提交的美国申请No.15/947,733的部分继续申请，美国申请No.15/947,733是2017年6月7日提交的美国临时申请No.62/516,350的非临时申请，其全部内容通过引用并入于此。美国申请No.15/947,733是2016年10月24日在美国提交的题为“Method and System to Accelerate Consolidation of Specific Memories UsingTranscranial Stimulation”的美国申请No.15/332,787的部分继续专利申请，美国申请No.15/332,787是2015年10月23日在美国提交的题为“Method and System to AccelerateConsolidation of Specific Memories Using Transcranial Stimulation”的美国临时申请No.62/245,730的非临时专利申请，其全部内容通过引用并入于此。美国申请No.15/947,733还是2017年5月1日在美国提交的题为“System and Method forNeurostimulation-Enhanced Second Language Acquisition”的美国申请No.15/583,983的部分继续专利申请，美国申请No.15/583,983是2016年5月2日在美国提交的题为“AMethod for Neurostimulation-Enhanced Second Language Acquisition”的美国临时申请No.62/330,440的非临时专利申请，其全部内容通过引用并入于此。
本申请还是2017年10月11日提交的美国临时申请No.62/570,669的非临时专利申请，其全部内容通过引用并入于此。
本申请还是2017年9月13日提交的U.S.62/558,133的非临时专利申请，其全部内容通过引用并入于此。
本申请还是2017年7月27日提交的U.S.62/537,892的非临时专利申请，其全部内容通过引用并入于此。
技术领域
本发明涉及大脑刺激系统，并且更具体地，涉及用于瞄准的且可操纵的经颅干预以加速记忆巩固的系统。
背景技术
在操作任务中(如在许多商业和教育场景中)，至关重要的是，基于对信息的有限接触快速整合并进行准确的回忆。为了辅助这种需求，已经开发了一些现有技术的刺激系统来促进记忆巩固。这样的刺激系统基于广受支持的想法，即，当人们睡眠时，记忆系统会“重放”记忆，这意味着所述记忆会从短期海马体记忆中被回忆起来，并传送至学习较慢的皮层结构，在皮层结构中，这些记忆缓慢无损地整合到长期记忆存储中。尽管海马体中的任何记忆都有可能在睡眠期间被重放，但如果特定记忆是近期学习的并且与某些情感内容或高即时回报有关，则重放该特定记忆的概率较大。遗憾的是，人们需要学习的许多东西都是无聊或乏味的，学习这些东西的回报可能还有很长的路要走。
一种现有技术应用了独特的高清经颅电流刺激(HD-tCS)剪辑(montage)，即，在独特的经历或技能学习期间跨头皮施加电流的包括内在节律的时空幅度调制模式(STAMP)，以通过在短期记忆中使该STAMP变得与所述独特的经历或技能相关联来“标记”该独特的经历或技能。然后，在安静的清醒或慢波睡眠期间(特别是在皮层UP状态期间)，稍后离线施加相同的STAMP标记来提示与该STAMP标记相关联的特定记忆，以进行重放，从而巩固在长期记忆中。STAMP法的优点是不会劣化任务表现或分散学习该任务的注意力，这不同于采用与记忆相关联的音频或嗅觉来标记所述记忆并在稍后提示重放该记忆的其它方法。遗憾的是，STAMP法可能要求必须将许多(例如，至少64个)并且可能高达256个的电极施加至受试者的头皮，以便使可能进行各种种类的独特的STAMP模式。每个电极必须与头皮接触良好，因此，一次应施加一个电极并进行测试，以确保电特性与每一个其它电极相匹配(参见所引入的参考文献列表中的参考文献No.2中对施加此类电极的过程的描述)。这个过程漫长而乏味，通常需要可以测试和调整每个电极的专业人员。此外，电极的寿命有限，因此建议保持使用记录并更换旧的电极。另外，高密度的电极必须涂有凝胶，这很麻烦；可以由非专业人员在自身上施加的海绵电极具有较大的占地面积，并且无法紧密布置。如果可以使这种记忆巩固方法变得容易应用，那么会议中的商人、巡逻或训练中的士兵或者日常课程中的学生就可以定期使用这种方法。但是，要将这种技术转变成即使在临床环境之外也会被非专业人员的更广泛的家庭使用的广泛接受和采用的产品，至关重要的是将电极的数量缩减至少于六个，这将成倍地减少时间和麻烦。现有技术的另一缺点是：为了在学习特定的记忆时创建相同的STAMP模式，接着在以后的每个晚上重新创建该相同的模式以在睡眠期间进行巩固，所有的大体积电极必须精确地施加在相同的位置，并且具有完全相同的电导率特性。
因此，一直持续需要一种经颅刺激系统，该经颅刺激系统在醒着时的任务获取期间以及在操作期间仅需要所期望的少量电极(例如，少至四个)来创建要与记忆相关联的标记或STAMP，该标记或STAMP是在皮层表面下方可能很深处的局部化的且可操纵的3D刺激区域。
发明内容
本公开提供了一种用于可操纵的经颅干预以加速记忆巩固的系统。在各种实施方式中，所述系统包括一个或更多个处理器以及存储器。所述存储器是编码有可执行指令的非暂时性计算机可读介质，使得在执行所述指令时，所述一个或更多个处理器执行多个操作，诸如生成独特的经颅且可操纵的刺激标记，以与任务或事件的记忆相关联；以及在要巩固的事件或任务发生期间，激活至少多个电极以施加独特的经颅刺激标记。
在另一方面，所述独特的经颅且可操纵的刺激标记是在要巩固的事件或任务发生期间在大脑的三维区域中利用至少四个电极的瞄准的、局部化的、经颅施加的电刺激模式。
在又一方面，独特的经颅且可操纵的刺激标记是针对要巩固的各个记忆生成的。
在又一方面，在要巩固的所述事件或任务发生期间激活的所述独特的经颅且可操纵的刺激标记是在受试者的非REM睡眠期间的慢波振荡的正相位期间激活的，以刺激重放所述记忆并且提示将该记忆巩固至长期记忆。
在另一方面，各个独特的经颅刺激标记是根据刺激模式的变化来生成的，所述刺激模式包括刺激的三维起始位置、频率、强度以及通过受试者的大脑的时间轨迹，所述时间轨迹根据时间来改变频率、强度及位置。
在另一方面，预先对要巩固的所述任务或事件的持续时间进行估计，并且如果实际的任务或事件比所估计的任务或事件短，则修剪所生成的独特的经颅且可操纵的刺激标记，或者如果实际的任务或事件比所估计的任务或事件长，则重复所生成的独特的经颅且可操纵的刺激标记。
在又一方面，所述独特的经颅且可操纵的刺激标记的轨迹的速率在睡眠施加期间可以提高至少十倍，以增加所诱发的记忆重新激活的功效，这是因为相对于醒着时的大脑动态，已知睡眠重放在时间上被压缩了。
在另一方面，激活所述多个电极包括激活至少四个电极来施加所述独特的经颅且可操纵的刺激标记，并且这样做时，刺激的区域在施加所述电刺激期间发生改变。
最后，本发明还包括一种计算机程序产品和计算机实现方法。所述计算机程序产品包括存储在非暂时性计算机可读介质上的计算机可读指令，该计算机可读指令能够通过具有一个或更多个处理器的计算机执行，使得在执行所述指令时，所述一个或更多个处理器执行本文列出的操作。另选地，所述计算机实现方法包括使计算机执行这种指令并且执行所得操作的行为。
附图说明
根据下面结合参照附图对本发明各个方面的详细描述，本发明的目的、特征以及优点是显而易见的，其中：
图1是描绘根据本发明的各个实施方式的系统的组件的框图；
图2是具体实施本发明的一个方面的计算机程序产品的例示图；
图3是清醒和睡眠这两个操作阶段的例示图；
图4是可操纵的STAMP模式的例示图；
图5是以线性运动向上或向下移动刺激的球体区(sphere)但改变刺激区域的大小以及可能的其它参数的模式的示例例示图；
图6是以可以跨大脑的前额叶区域使用的非线性轨迹来移动刺激的球体区的可操纵的STAMP模式的示例例示图；
图7是描绘根据各种实施方式的装置的控制的框图；以及
图8是根据本发明的各种实施方式的头罩的例示图。
具体实施方式
本发明涉及大脑刺激系统，并且更具体地，涉及用于瞄准的且可操纵的经颅干预以加速记忆巩固的系统。呈现以下描述以使本领域普通技术人员能够制造和使用本发明并将其并入特定应用的背景中。各种变型例以及不同应用方面的多种用途对于本领域技术人员来说是显而易见的，并且本文定义的一般原理可以被应用于广泛的方面。因此，本发明不旨在限于所呈现的方面，而是符合与本文所公开原理和新颖特征相一致的最广范围。
在下面的详细描述中，阐述了许多具体细节，以便提供对本发明的更详尽理解。然而，本领域技术人员应当明白，本发明可以在不受限于这些具体细节的情况下来实践。在其它情况下，公知结构和装置按框图形式而不是按细节示出，以便避免模糊本发明。
将读者的注意引向与本说明书同时提交的所有文件和文档，并且所述文件和文档可以利用本说明书开放以供公众查阅，所有这些文件和文档的内容通过引用并入于此。本说明书中公开的所有功能(包括任何所附权利要求、摘要，以及附图)可以用服务相同、等同或相似目的的另选特征来代替，除非另有明确说明。因此，除非另有明确说明，所公开的每个特征仅仅是通用系列的等同或相似特征中的一个例子。
在详细描述本发明之前，首先提供了并入参考文献的列表。接下来，提供了对本发明各个主要方面的描述。随后，向读者进行了介绍，使得能够对本发明有个总体上的理解。最后，提供本发明各个实施方式的具体细节以取得对具体方面的理解。
(1)引入参考文献列表
贯穿本申请引用以下参考文献。为了清楚和方便起见，这些参考文献在此被列为读者的中心资源。下列参考文献通过引用并入于此，就像在此完全陈述的一样。这些参考文献通过参照如下对应文献参考号而在本申请中加以引用，如下：
1.Nir Grossman,David Bono,Nina Dedic,Suhasa B.Kodandaramaiah,AndriiRudenko,Ho-Jun Suk,Antonino M.Cassara,Esra Neufeld,Niels Kuster,Li-Huei Tsai,Alvaro Pascual-Leone,Edward S.Boyden(2017).Noninvasive Deep Brain Stimulationvia Temporally Interfering Electric Fields.Cell 169,1029–1041June 1,2017。
2.Woods et al.(2016).A technical guide to tDCS,and related non-invasive brain stimulation tools.Clinical Neurophysiology,127:1031-1048。
3.Santostasi,Giovanni,et al."Phase-locked loop for precisely timedacoustic stimulation during sleep."Journal of neuroscience methods 259(2016):101-114。
4.Liu,Hechen,and Markus Schneider."Similarity measurement of movingobject trajectories."Proceedings of the third ACM SIGSPATIAL internationalworkshop on geostreaming.ACM,2012。
https://www.cise.ufl.edu/～mschneid/Research/papers/LS12IWGS.pdf
(2)主要方面
本发明的各种实施方式包括三个“主要”方面。第一个主要方面是用于进行经颅刺激的系统。该系统通常采用计算机系统操作软件的形式或采用“硬编码”指令集的形式，并且可以包括如按照本公开可能需要的所有电极和/或传感器。该系统可以并入提供不同功能的各种各样的装置中。第二个主要方面是通常采用软件的形式的方法，其利用数据处理系统(计算机)进行操作。第三个主要方面是计算机程序产品。计算机程序产品通常表示存储在诸如光学存储装置(例如，光盘(CD)或数字通用盘(DVD))或磁存储装置(例如，软盘或磁带)的非暂时性计算机可读介质上的计算机可读指令。计算机可读介质的其它非限制示例包括：硬盘、只读存储器(ROM)以及闪存型存储器。这些方面将在下面进行更详细描述。
图1中提供了描绘本发明的系统(即，计算机系统100)的示例的框图。计算机系统100被配置成执行与程序或算法相关联的计算、处理、操作和/或功能。在一个方面，本文讨论的某些处理和步骤被实现为驻留在计算机可读存储器单元内并由计算机系统100的一个或更多个处理器执行的一系列指令(例如，软件程序)。所述指令在执行时，使计算机系统100执行特定动作并展现特定行为，如本文所描述的。
计算机系统100可以包括被配置成传送信息的地址/数据总线102。另外，一个或更多个数据处理单元(例如处理器104(或多个处理器))与地址/数据总线102联接。处理器104被配置成处理信息和指令。在一方面，处理器104是微处理器。另选地，处理器104可以是不同类型的处理器，诸如并行处理器、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑阵列(PLA)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)或现场可编程门阵列(FPGA)。
计算机系统100被配置成利用一个或更多个数据存储单元。计算机系统100可以包括与地址/数据总线102联接的易失性存储器单元106(例如，随机存取存储器(“RAM”)、静态RAM、动态RAM等)，其中，易失性存储器单元106被配置成存储用于处理器104的信息和指令。计算机系统100还可以包括与地址/数据总线102联接的非易失性存储器单元108(例如，只读存储器(“ROM”)、可编程ROM(“PROM”)、可擦除可编程ROM(“EPROM”)、电可擦除可编程ROM(“EEPROM”)、闪存等)，其中，非易失性存储器单元108被配置成存储用于处理器104的静态信息和指令。另选地，计算机系统100可以执行从诸如“云”计算中的在线数据存储单元取得的指令。在一方面，计算机系统100还可以包括与地址/数据总线102联接的一个或更多个接口，例如接口110。所述一个或更多个接口被配置成使得计算机系统100能够与其它电子装置和计算机系统连接。由所述一个或更多个接口实现的通信接口可以包括有线(例如，串行电缆、调制解调器、网络适配器等)和/或无线(例如，无线调制解调器、无线网络适配器等)通信技术。
在一个方面，计算机系统100可以包括与地址/数据总线102联接的输入装置112，其中，输入装置112被配置成将信息和命令选择传送至处理器100。根据一个方面，输入装置112是字母数字输入装置(如键盘)，其可以包括字母数字键和/或功能键。另选的是，输入装置112可以是除字母数字输入装置之外的其它输入装置。在一方面，计算机系统100可以包括与地址/数据总线102联接的光标控制装置114，其中，光标控制装置114被配置成将用户输入信息和/或命令选择传送至处理器100。在一方面，光标控制装置114是利用诸如鼠标器、轨迹球、轨迹板、光学跟踪装置或触摸屏的装置来实现的。前述尽管如此，但在一方面，例如响应于使用与输入装置112相关联的特殊键和键序列命令，光标控制装置114经由来自输入装置112的输入而被引导和/或启用。在另选方面中，光标控制装置114被配置成通过语音命令指引或引导。
在一方面，计算机系统100还可以包括一个或更多个可选的计算机可用数据存储装置，例如与地址/数据总线102联接的存储装置116。存储装置116被配置成存储信息和/或计算机可执行指令。在一个方面，存储装置116是诸如磁或光盘驱动器(例如，硬盘驱动器(“HDD”)、软盘、光盘只读存储器(“CD-ROM”)、数字通用盘(“DVD”))的存储装置。依据一个方面，显示装置118与地址/数据总线102联接，其中，显示装置118被配置成显示视频和/或图形。在一方面，显示装置118可以包括：阴极射线管(“CRT”)、液晶显示器(“LCD”)、场发射显示器(“FED”)、等离子体显示器，或者适于显示视频和/或图形图像以及用户可识别的字母数字字符的任何其它显示装置。
本文所呈现的计算机系统100是根据一方面的示例计算环境。然而，计算机系统100的非限制示例并不严格限于作为计算机系统。例如，一个方面提供了计算机系统100表示可以根据本文所述各个方面使用的一类数据处理分析。此外，还可以实现其它计算系统。实际上，本技术的精神和范围不限于任何单一数据处理环境。因此，在一方面中，使用通过计算机执行的计算机可执行指令(例如程序模块)来控制或实现本技术的各个方面的一个或更多个操作。在一个实现中，这样的程序模块包括被配置成执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件和/或数据结构。另外，一个方面提供了通过利用一个或更多个分布式计算环境来实现本技术的一个或更多个方面，例如，在该计算环境中，任务由通过通信网络链接的远程处理装置执行，或者例如，在该计算环境中，各种程序模块位于包括存储器-存储装置的本地和远程计算机存储介质中。
图2中描绘了具体实施本发明的计算机程序产品(即，存储装置)的例示图。计算机程序产品被描绘为软盘200或诸如CD或DVD的光盘202。然而，如先前提到的，该计算机程序产品通常表示存储在任何兼容的非暂时性计算机可读介质上的计算机可读指令。如关于本发明所使用的术语“指令”通常指示要在计算机上执行的一组操作，并且可以表示整个程序的片段或单个分离的软件模块。“指令”的非限制示例包括计算机程序代码(源或目标代码)和“硬编码”电子装置(即，编码到计算机芯片中的计算机操作)。所述“指令”被存储在任何非暂时性计算机可读介质上，例如存储在计算机的存储器中或者软盘、CD-ROM以及闪存驱动器上。无论如何，这些指令被编码在非暂时性计算机可读介质上。
(3)介绍
本公开提供了一种通过按特定的方案施加瞄准的、局部化的、经颅施加的电刺激模式来加速记忆巩固的系统和方法。与描述利用大量电极(例如，至少64个，而且多达256个)跨头皮施加经颅刺激的弱的广泛分布的“高密度”模式的现有技术相反，本公开的系统利用少至四个电极来向聚焦区域施加刺激，从而创建一个高度局部化的刺激区域，该刺激区域可以潜在地位于皮层下方更深处，并且可以随着时间而移动，从而改变刺激的点位的强度和大小。应注意到，尽管描述少至四个电极就足够了，但本发明不限于此，因为它仅仅需要最少数量的电极来通过多个电极之间的干涉模式创建刺激的模式，每个电极都以可能不同的频率发射AC电流，其中，电流周期相长地或相消地相互作用。因此，尽管描述了采用四个电极的系统并且已经证明该系统可以工作(参见参考文献No.1)，但该系统还可以例如利用三个电极来实现，其中使用三角测量法对区域进行三角测量。
在操作任务中(如在许多商业和教育场景中)，至关重要的是，基于对信息的有限接触快速整合并进行准确的回忆。本发明的目的是促进记忆巩固以使其成为可能。本发明是基于广受支持的想法的，即，当人们睡眠时，记忆系统会“重放”记忆，这意味着所述记忆会从短期海马体记忆中被回忆起来，并传送至学习较慢的皮层结构，在皮层结构中，这些记忆缓慢无损地整合到长期记忆存储中。尽管海马体中的任何记忆都有可能在睡眠期间被重放，但如果特定记忆是近期学习的并且与某些情感内容或高即时回报有关，则重放该特定记忆的概率更大。
一种现有技术(2016年8月3日提交的美国申请No.15/227,922(‘922申请)，其通过引用并入于此)应用了独特的HD-tCS剪辑，即，在独特的经历或技能学习期间跨头皮施加电流的包括内在节律的时空幅度调制模式(STAMP)，以通过在短期记忆中使该STAMP变得与所述独特的经历或技能相关联来“标记”该独特的经历或技能。然后，在安静的清醒或慢波睡眠期间(特别是在皮层UP状态期间)，稍后离线施加相同的STAMP标记来提示与该STAMP标记相关联的特定记忆，以进行重放，从而巩固在长期记忆中。STAMP方法的优点是不会劣化任务表现或分散学习该任务的注意力，这不同于采用与记忆相关联的音频或嗅觉来标记所述记忆并在稍后提示重放该记忆的其它方法。遗憾的是，现有技术要求必须将大量电极(例如，64至256个电极)施加至受试者的头皮，以便使可能进行宽泛种类的独特的STAMP模式。
本公开的系统和方法通过显著减少所需的电极数量以成倍地减少在设置和实现该系统方面的时间和麻烦来对现有技术(如在‘922申请中所教导的)进行了改进。电极数量的减少(举例来说，例如仅四个)也使该物品对于移动和现场应用来说更加便携。本公开的系统的另一优点是，这种新的减少了电极(例如，四个)的技术对电极布局没有严格的约束(现有技术的装置有这样的约束)，因为可以对刺激的区域进行操纵。这意味着，如果计算出首次施加刺激时的位置，则不管在头皮上放置这几个(例如，四个)电极的地方如何，都可以在以后的时间重新创建该位置。与现有技术相比，本公开的系统改进了使用少至四个电极来对大脑的聚焦区域进行瞄准，因为本系统的干预在一定时间期间移动了可移动的刺激区域的位置，并且随着时间改变该干预的强度。可以在空间上控制所述干预，以专注于或者避开大脑中的与任务最相关的区域。即，如果任务是已经发现能够强烈激活大脑区域A的类型，那么本领域技术人员可以设计一种刺激模式，以专注于A以外的大脑区域，以便避免干扰大脑区域A的正常运行。因此，本文所述的系统不仅瞄准特定的静态位置，而且可以被用于在要记住的事件的持续时间期间移动所瞄准的位置，同时还改变刺激点位的强度和大小，从而将移动刺激模式与记忆相关联，然后在慢波睡眠期间再次使用相同的模式以便提示回忆所述记忆，从而促进该记忆的巩固。
所述系统和方法可以在提供瞄准的且个性化的闭环系统的产品中实现，该系统用于增强正常受试者以及具有与记忆巩固有关的学习困难的那些受试者的记忆。可以将采用闭环高密度脑电图(HD-EEG)感测和Focal-tACS(经颅交流电刺激)刺激的干预可以并入现有的刺激系统中，例如由Neuroelectrics、Soterix Medical和/或EGI生产的那些刺激系统。Neurolectrics位于210 Broadway,Suite 201,Cambridge 02139,Massachusetts,USA。Soterix Medical位于237W 35th St,New York,NY 10001，而EGI(或者ElectricalGeodesics,Inc.)位于500 East 4th Ave.,Suite 200,Eugene,OR 97401。集成的大脑监测和经颅刺激系统将在有关商业和军事应用两方面的研究和康复中具有广泛的适用性。
由这项工作导致的产品将使人们能够加强情节记忆并随着他们的睡眠而更快地获取技能。作为额外的益处，如果以与睡眠期间的慢波振荡相同的频率和相位按振荡方式来施加刺激(如在美国临时申请No.62/570,669中所公开的，其通过引用并入于此)，那么干预将通过促进较长时段的慢波睡眠(SWS)(或深度睡眠)来增加总体认知警觉性。出于许多理由并且如本领域技术人员可以清楚的，本公开的系统提供了多个优点。增强技术和治疗过程是安全且无创的；本系统不需要药物或手术。就受试者识别的事件来说，可以在事件发生之前或者在事件发生之后的某个时间对所述系统进行训练(在这种情况下，用户随着尽可能清楚地回忆起所述事件来开启所述系统)。此外，所述疗法瞄准了特定的记忆，而其它记忆不受影响。具体细节提供如下。
(4)各个实施方式的具体细节
本公开中描述的系统和方法被设计成改善对特定的记忆(在本文中称为“事件”)的巩固。为了进一步理解，图3提供了系统的两个操作阶段的例示图，用于事件编码的清醒干预阶段301以及用于巩固的离线干预阶段303。理想的实现是，当第一次经历事件300时(例如，当用户正在学习新的某事物时)，他/她佩戴着干预系统，该干预系统包括至少四个可操纵的STAMP刺激电极302(可以采用更多的电极来生成更多复杂模式的超过一个同时可操纵的刺激点位)。可操纵的STAMP采用了最新的现有技术的时间干扰法(参见参考文献No.1，或者任何其它合适的技术)，该时间干扰法可以通过改变递送至固定的一组电极的AC电流的相应频率，来瞄准经颅施加交流电刺激(tACS)干预的刺激区域而无需对电极进行物理移动。换句话说，通过改变递送至所述固定的一组电极302的电流的频率和幅值来操纵刺激的区域。
利用该能力，可以通过电干预来刺激大脑内深处的高度瞄准的且局部化的大脑区域。干预模块304生成独特的可操纵的STAMP剪辑306，当大脑通过选择性激活电极302对该STAMP剪辑进行编码时，大脑将该STAMP剪辑与所述任务或事件相关联。通过(经由电极302)改变刺激的区域的时空轨迹、在所述区域移动时随时间改变所述区域的大小以及在该时间内刺激的功率，可能存在无限数量的模式。
生成可操纵的STAMP剪辑306，使其变得与要记住的事件相关联，并且随后在慢波睡眠期间用于提示对所述事件的记忆的回忆，从而促进所述记忆的巩固。移动刺激的区域的目的是提供用于创建与记忆相关联的独特刺激提示的另一个维度，并且还允许该独特的提示专注于或避开某些与任务相关的大脑区域(在要巩固的记忆期间被高度激活的区域)。
例如，图4提供了描绘极端示例的例示图，其中，刺激点位400以螺旋模式围绕大脑402快速移动，在刺激点位移动时其大小会发生改变。这是可操纵的STAMP标记，并且相对于被用于正在学习的不同记忆的任何其它标记，所述STAMP标记应当是独特的。在该非限制例中，球形的刺激区域以螺旋形轨迹移动通过大脑体积，根据作为可操纵的刺激模式的基本构思的确定的独特模式随时间改变大小。
图5和图6中描绘了可操纵的STAMP标记的一些其它示例。图5是以线性运动向上或向下移动刺激的球体但改变刺激区域的大小以及可能的其它参数的模式500的示例例示图。图6是以可以跨诸如前额叶区域的大脑区域(例如，跨前额后面的皮层区域)引导的非线性轨迹来移动刺激的球体的可操纵的STAMP模式600的示例例示图。
一旦以这种方式对事件进行了标记后，必须存储所使用的标记，以供以后在睡眠期间使用以提示对记忆的巩固。后来，在睡眠或安静的清醒期间(即，在用于巩固的离线干预阶段303期间)，用户再次佩戴所述干预系统，但是这次是利用EEG阵列。干预系统304监测EEG数据以检测睡眠的阶段，并且在慢波睡眠(SWS)的经颅感测的正(“UP”)相位期间，施加相同的可操纵STAMP标记来提示所述记忆，并且所述剪辑成为促进所述记忆的重放(某种回忆)的提示，从而加速将所述记忆巩固到长期记忆中。
美国申请No.15/947,733号(其通过引用并入于此)公开了一种用于感测慢波振荡(SWO)的UP相位并按闭环施加经颅刺激的方法。可以使用类似的技术来施加所述可操纵的STAMP。可以每天晚上施加睡眠干预，直到记忆得到巩固为止。记忆的巩固程度是根据将任务或事件编码后的几天或几周内所述任务执行或事件的回忆来判断的。
必须为要巩固的每个记忆生成独特的标记。如上提及，标记是局部化的tACS刺激区域，并且所述标记是根据通过大脑的独特的时间轨迹生成的，该独特的时间轨迹根据时间改变强度、速度、空间范围以及位置。所述持续时间必须限制成要巩固的任务或事件的预期长度(举例来说，基于例如受试者或执行此类任务或事件的其他人的历史数据)。如果所述持续时间无法提前预计，则可以针对估计的持续时间来生成标记，如果任务比估计的持续时间短，则修剪所述标记，或者如果任务比估计的持续时间长，则重复所述标记。如果事件的持续时间延长，则可能会多次反转所述轨迹。移动的速度是可以改变的另一参数。在任一情况下，睡眠中用于巩固记忆的标记必须等于在清醒期间使用的任何修剪或延长的标记。当在睡眠期间使用所述标记时，该标记在UP相位应用，每个UP相位仅持续400毫秒到1秒钟。被标记的清醒事件持续的时间很可能比UP相位长，有两种方法：(1)加速标记的施加因而花费不到1秒钟来施加所述标记；或者(2)按照清醒期间施加所述标记的速度来施加该标记，从而可能会超出UP相位。两种选择都可以接受，并且取决于所学习的事件的类型，一种或另一种可以实现更好的结果。然而，在睡眠期间，记忆重放通常会加快10倍或者更多，因此，在用于巩固的离线干预阶段303期间，跨经由大脑的轨迹来操纵刺激区域的速率增加10倍或者更多可能是优选的。
在将可操纵的STAMP与要巩固的记忆相关联时，所述可操纵的STAMP可以在要记住的实际事件期间施加，或者可以在根据身体摄像机回放事件来查看所述事件期间施加，因此用户可以在未曾料到的事件发生后学习该事件。如果事件的摄像机视图不可用，那么用户可以在所述事件发生后仍然安静地坐着，并且在所述系统对情节进行标记的同时回忆所述事件的尽可能多的细节。所述系统需要查明在给定先前使用的可操纵STAMP轨迹库的情况下，动态生成的用于对新事件进行标记的可操纵的STAMP轨迹是否足够独特。可以通过根据可操纵的STAMP的所有参数使得距离度量最大化来判断独特性；例如(时间轨迹、时间强度、时间空间范围)，并且可以将这些因素进行加权。优选的权重为[3、1、2]乘以所提及的功能参数。轨迹或两个矢量之间的距离是公知的过程。例如，参考文献No.4描述了如何对两个轨迹进行比较。本发明可以与感觉提示(例如基于听觉或嗅觉的瞄准的记忆重新激活)以及具有电磁和机械刺激的其它形式的提示相结合。例如，可以将特定的声音与所述可操纵的STAMP或者技能区域(例如前臂或舌头)上的触觉模式相结合。本发明可以与睡眠期间的闭环听觉刺激相结合(参见参考文献No.3)，以增强缓慢的振荡，以便提供更多的机会窗口来施加可操纵的STAMP。可以基于个性化的记忆模型的行为预测来优化和安排可操纵的STAMP在睡眠期间的施加，以将对较弱记忆的提示列入优先。
(5)装置的控制。
如图7所示，可以将处理器104用于基于确定何时施加所述可操纵的STAMP剪辑或者聚焦的经颅刺激剪辑来控制装置700(例如，多个电极的电极阵列(例如，位于受试者的头皮上的四个或更多个电极))。装置500是可以被用于向受试者提供可操纵的聚焦的经颅施加的刺激模式的任何合适的装置，其非限制示例包括电刺激电极的阵列(例如，在图3中描绘为部件302的电极，和/或包括采用头罩或者单独施加至受试者的高分辨率阵列)、磁场或超声。因此，在这个示例中，处理器104基于本文所述的过程来激活装置700(电极阵列(例如，图3中的元件302))，以向受试者提供经颅刺激。装置700还可以是提供感觉提示(例如针对基于听觉或嗅觉的瞄准的记忆重新激活的警告)以及具有电磁和机械刺激的其它形式的提示的物品。
尽管不限于此，但图8提供了装置700的另一示例，其中，装置700是包含以下项中的一项或两项的头罩1000：1)传感器1002，该传感器1002检测高分辨率的时空神经生理活动(例如，EEG数据)；和2)刺激剪辑部件1004(即，电极)，该刺激剪辑部件可以被用于按照本文所述的过程将电流引导至特定的皮层子区域。虽然在图3中将电极示为单独地施加至受试者，但图8描绘了将电极结合到头罩1000中的另一方面。应当明白，也可以实现附加的头饰(headgear)配置，只要这些头饰配置包括所述传感器和/或刺激部件即可，附加的非限制示例包括无弹性头罩、网状物(例如发网或头网)、带子、脸罩、头盔或其它头饰等。
在一些实施方式中，头罩1000是由包含感测组件的弹性材料形成的，该感测组件经由头皮上的电位和检测皮层血流的反向散射近红外光(功能近红外光谱，FNIRS)来记录神经生理活动(脑电图(EEG))。在一些实施方式中，所述头罩中期望地存在两个传感器，以便以高时空分辨率来描绘皮层活动，并且所述头帽具有弹性(压缩配件1006)，以固定敏感的记录部件，从而确保将干净的、无伪影的信号馈送给所述系统(并且提供传感器和刺激器的一致性)。刺激部件1004也存在于同一头罩1000装置中，该装置包括多组表面电极(例如，少至四个)，这些表面电极按照上述过程被精确地控制以将电流引导通过头皮。在一些实施方式中，这些刺激部件1004保持一致的电环境(特别是阻抗值)，以便在整个认知增强过程中提供恰当的刺激。所述电极的控制软件(即，如本文所述的系统)还使得能够修改注入的电流，因为可以利用改变的刺激方案来实现对神经组织的不同作用。以同样的方式，在一些实施方式中，头罩1000本身是可配置的，也就是说，将头罩1000构造成使得所有感测组件和记录组件具有模块化可配置性，以使能够从头皮的相异区域进行记录，并且能够将刺激施加至各种各样的大脑结构。例如，将头罩1000描绘为具有用于容纳传感器1002和/或刺激器1004的多个可配置的线束位置。可以将传感器1002和刺激器1004形成并组合在单个线束中以附接到线束位置，或者可以单独地附接传感器1002和刺激器1004。还可以将传感器1002和刺激器1004经弹簧加载以保持与佩戴者的皮肤的充分接触。对于各种实施方式，头罩1000中存在这些组件中的一个、一些或全部，并且所述装置的这些特征对用于认知增强的经颅刺激的施加是有帮助的。
最后，虽然已经根据几个实施方式对本发明进行了描述，但本领域普通技术人员应当容易地认识到本发明在其它环境中可以具有其它应用。应注意到，可以有许多实施方式和实现。而且，所附的权利要求绝不是旨在将本发明的范围限制成上述具体实施方式。另外，“用于…的装置(means)”的任何陈述都旨在唤起对部件和权利要求的装置加功能的解读，而不具体使用陈述“用于…的装置(means)”的任何部件不是旨在被解读为装置加功能部件，即使权利要求以其它方式包括了“装置(means)”一词。而且，虽然已经按特定次序陈述了特定的方法步骤，但这些方法步骤可以按任何期望的次序发生并且落入本发明的范围内。

Claims (24)

1.一种用于可操纵的经颅干预以加速记忆巩固的系统，所述系统包括：
一个或更多个处理器以及存储器，所述存储器是编码有可执行指令的非暂时性计算机可读介质，使得在执行所述指令时，所述一个或更多个处理器执行以下操作：
生成与任务或事件的记忆相关联的经颅且可操纵的刺激标记，其中，所述经颅且可操纵的刺激标记相对于不同记忆的任何其它标记是独特的；以及
在要巩固的所述任务或事件发生期间，激活至少多个电极以施加所述独特的经颅且可操纵的刺激标记，其中，在激活所述至少多个电极以施加电刺激时，刺激的区域在施加所述电刺激期间发生改变。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述独特的经颅且可操纵的刺激标记是在要巩固的所述任务或事件发生期间在大脑的三维区域中利用至少四个电极的瞄准的、局部化的、经颅施加的电刺激模式。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述独特的经颅且可操纵的刺激标记是针对要巩固的每个记忆生成的。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，在要巩固的所述任务或事件发生期间激活的所述独特的经颅且可操纵的刺激标记是在受试者的非REM睡眠期间的慢波振荡的正相位期间激活的。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，各个独特的经颅刺激标记是根据刺激模式的变化来生成的，所述刺激模式包括刺激的三维起始位置、频率、强度以及通过受试者的大脑的时间轨迹，所述时间轨迹根据时间来改变频率、强度及位置。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，要巩固的所述任务或事件的持续时间是预先估计的，并且如果实际的任务或事件比所估计的任务或事件短，则修剪所生成的独特的经颅且可操纵的刺激标记，或者如果实际的任务或事件比所估计的任务或事件长，则重复所生成的独特的经颅且可操纵的刺激标记。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，穿越大脑操纵所述刺激的区域的速率在睡眠施加期间相对于在清醒施加期间能够提高至少十倍。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，在激活所述多个电极时，包括激活至少四个电极来施加所述独特的经颅且可操纵的刺激标记。
9.一种用于可操纵的经颅干预以加速记忆巩固的非暂时性计算机可读介质，所述非暂时性计算机可读介质编码有可执行指令，使得在由一个或更多个处理器执行所述指令时，所述一个或更多个处理器执行以下操作：
生成与任务或事件的记忆相关联的经颅且可操纵的刺激标记，其中，所述经颅且可操纵的刺激标记相对于不同记忆的任何其它标记是独特的；以及
在要巩固的所述任务或事件发生期间，激活至少多个电极以施加所述独特的经颅且可操纵的刺激标记，其中，在激活所述至少多个电极以施加电刺激时，刺激的区域在施加所述电刺激期间发生改变。
10.根据权利要求9所述的非暂时性计算机可读介质，其中，所述独特的经颅且可操纵的刺激标记是在要巩固的所述任务或事件发生期间在大脑的三维区域中利用至少四个电极的瞄准的、局部化的、经颅施加的电刺激模式。
11.根据权利要求9所述的非暂时性计算机可读介质，其中，所述独特的经颅且可操纵的刺激标记是针对要巩固的每个记忆生成的。
12.根据权利要求9所述的非暂时性计算机可读介质，其中，在要巩固的所述任务或事件发生期间激活的所述独特的经颅且可操纵的刺激标记是在受试者的非REM睡眠期间的慢波振荡的正相位期间激活的。
13.根据权利要求9所述的非暂时性计算机可读介质，其中，各个独特的经颅刺激标记是根据刺激模式的变化来生成的，所述刺激模式包括刺激的三维起始位置、频率、强度以及通过受试者的大脑的时间轨迹，所述时间轨迹根据时间来改变频率、强度及位置。
14.根据权利要求9所述的非暂时性计算机可读介质，其中，要巩固的所述任务或事件的持续时间是预先估计的，并且如果实际的任务或事件比所估计的任务或事件短，则修剪所生成的独特的经颅且可操纵的刺激标记，或者如果实际的任务或事件比所估计的任务或事件长，则重复所生成的独特的经颅且可操纵的刺激标记。
15.根据权利要求9所述的非暂时性计算机可读介质，其中，穿越大脑操纵所述刺激的区域的速率在睡眠施加期间相对于在清醒施加期间能够提高至少十倍。
16.根据权利要求9所述的非暂时性计算机可读介质，其中，在激活所述多个电极时，包括激活至少四个电极来施加所述独特的经颅且可操纵的刺激标记。
17.一种用于可操纵的经颅干预以加速记忆巩固的计算机实现的方法，所述计算机实现的方法包括以下动作：
使一个或更多个处理器执行编码在非暂时性计算机可读介质上的指令，使得在执行所述指令时，所述一个或更多个处理器执行以下操作：
生成与任务或事件的记忆相关联的经颅且可操纵的刺激标记，其中，所述经颅且可操纵的刺激标记相对于不同记忆的任何其它标记是独特的；
在要巩固的所述任务或事件发生期间，激活至少多个电极以施加所述独特的经颅且可操纵的刺激标记，其中，在激活所述至少多个电极以施加电刺激时，刺激的区域在施加所述电刺激期间发生改变。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述独特的经颅且可操纵的刺激标记是在要巩固的所述任务或事件发生期间在大脑的三维区域中利用至少四个电极的瞄准的、局部化的、经颅施加的电刺激模式。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述独特的经颅且可操纵的刺激标记是针对要巩固的每个记忆生成的。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，在要巩固的所述任务或事件发生期间激活的所述独特的经颅且可操纵的刺激标记是在受试者的非REM睡眠期间的慢波振荡的正相位期间激活的。
21.根据权利要求17所述的方法，其中，各个独特的经颅刺激标记是根据刺激模式的变化来生成的，所述刺激模式包括刺激的三维起始位置、频率、强度以及通过受试者的大脑的时间轨迹，所述时间轨迹根据时间来改变频率、强度及位置。
22.根据权利要求17所述的方法，其中，要巩固的所述任务或事件的持续时间是预先估计的，并且如果实际的任务或事件比所估计的任务或事件短，则修剪所生成的独特的经颅且可操纵的刺激标记，或者如果实际的任务或事件比所估计的任务或事件长，则重复所生成的独特的经颅且可操纵的刺激标记。
23.根据权利要求17所述的方法，其中，穿越大脑操纵所述刺激的区域的速率在睡眠施加期间相对于在清醒施加期间能够提高至少十倍。
24.根据权利要求17所述的方法，其中，在激活所述多个电极时，包括激活至少四个电极来施加所述独特的经颅且可操纵的刺激标记。
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