CN112604163A - 一种基于经颅直流电刺激的辅助记忆系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于经颅直流电刺激的辅助记忆系统。包括电刺激仪、采集装置和训练装置。训练装置针对不同的工作记忆子成分选用不同的记忆负载材料，设计了三种不同模式的训练。采集装置采集使用者经电刺激前后在不同训练模式中的脑电信息，对比统计，为电刺激仪的电极摆放位置、刺激时长、电流密度提供参考。电刺激仪对相应脑区进行最大程度的激活，配合不同模式的训练，提高工作记忆的效果。在电刺激结束后，再进行一次无电刺激的训练，可以将电刺激带来的提升效果延伸至在脱离电刺激后。
Description
技术领域
本发明属于模式识别领域，涉及一种基于经颅直流电刺激的辅助记忆系统，特别涉及一种利用经颅直流电刺激与n-back工作记忆范式训练结合的辅助记忆系统。
背景技术
经颅直流电刺激(Transcranial direct current stimulation，tDCS)作为一种非侵入式调节大脑皮层活性的技术，通过在头皮表面施加微弱的稳定直流电来调节神经元的活动。经颅直流电刺激有两块电极，分别是刺激电极和参考电极，根据刺激电极的极性又可以分为：阳极刺激，阴极刺激和伪刺激，电流强度一般设为1～2mA，持续时长为5～20min不等。与其他利用外部的阈上刺激来诱发神经元细胞放电的非侵入式刺激方式不同，tDCS刺激是通过调节神经元细胞的阈下激活水平的方式来激活或抑制皮层的兴奋性。当阳极tDCS刺激应用在运动皮层区域可以使神经元静息膜电位去极化，降低激活阈值增强皮层兴奋性，而阴极tDCS刺激则使神经元静息膜电位超极化，继而提高其激活阈值来抑制皮层兴奋性。tDCS刺激可以调节N-甲基-D-天冬氨酸受体的活性和钙的稳态平衡，改变突触所处的生理环境并且引发长时程刺激后效。
工作记忆是指能够短暂存储任务相关信息并能对其进行加工处理的认知系统。工作记忆与许多复杂的认知技能，如阅读理解、言语理解、词汇学习、写作、逻辑推理和复杂学习等都有着十分紧密的联系。在众多工作记忆模型中，最具影响力的是Baddeley的多成分模型，包括语音环路、视空间模板、中央执行系统和情景缓存区。其中语音环路包含语音存储及发音控制两部分，语音存储能保持语音信息2秒左右，其项目均由语音结构进行表征；发声控制能通过默读重新激活即将消退的语音进行表征。视空间模板主要负责视觉、空间信息的编码，包括与颜色、形状有关的视觉元素和与位置有关的空间元素。有研究表明，言语文字材料会使左背外侧前额叶皮层得到活性更高的激活，而空间信息材料能更有效地激活右背外侧前额叶皮层。由此可见，使用不同的负载材料承载不同形式的信息能够加深工作记忆。
最初在2005年Fregni发现阳极tDCS施加于左背外侧前额叶皮层可以提高工作记忆性能，此外也有研究表明阳极刺激的效果与工作记忆任务的难度相关，并且利用阳极tDCS进行工作记忆训练所带来的积极效果可以转移至相似的陌生训练任务中，但是也有研究表明阳极刺激对工作记忆的提升效果只停留在刺激过程中而无法延伸至刺激完成后。这些研究结果表明使用经颅直流电刺激对于工作记忆增强具有正面效果，然而没有合理的刺激位置与强度，并且配合训练方式，在脱离了刺激后的记忆效果不好。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于经颅直流电刺激的辅助记忆系统，包括电刺激仪、采集装置和训练装置。针对不同的工作记忆子成分选用不同的记忆负载材料，结合tDCS对相应脑区进行最大程度的激活，统计、分析刺激过程中的脑电信息，更改tDCS刺激的刺激时长与电流密度，提高工作记忆的效果，并且使该提升效果延伸至在脱离电刺激后。
一种基于经颅直流电刺激的辅助记忆系统，包括电刺激仪、采集装置和训练装置。
所述电刺激仪为经颅直流电刺激仪，将阳极电极和阴极电极放置在使用者的不同脑区，根据采集装置采集的信息调整刺激的位置、时长与强度。所述采集装置通过脑电采集帽采集使用者不同状态下的脑电信号，构建脑功能网络，为电刺激仪与训练装置的参数调整提供参考。训练装置包括计算机屏幕与音响，根据Baddeley的多成分模型设置了三种不同的训练模式。
所述三种训练模式为颜色-位置训练、语义-声音训练以及视听结合训练。颜色-位置训练模式中，将计算机屏幕均分为上、下、左、右四块，品红、黄、青、黑四种颜色随机呈现在这四个位置上。语义-声音训练模式中，屏幕上随机显示一个单字词，计算机随机发出高频或低频声音。视听结合训练模式中，计算机屏幕的上、下、左、右任一位置将随机显示一个单字词和一种颜色，并且计算机随机发出高频或低频声音。
作为优选，高频声音的频率为2000Hz，低频声音的频率为500Hz。
基于经颅直流电刺激的辅助记忆系统的使用方法包括以下步骤：
步骤1、在电刺激前，使用脑电采集帽采集使用者在三种训练模式下的脑电信号；使用带宽为0.15-30Hz的带通滤波器对采集到的脑电信号进行滤波，滤去无效频段，对剩下的有效频段使用独立成分分析的方法去除眨眼和眼球运动的伪迹，然后将最后200ms的数据作为基线值。
步骤2、在电刺激后，使用脑电采集帽采集使用者在三种训练模式下的脑电信号；将脑电信号的电位与步骤1中得到的基线值相减，得到新的电位值。将每种模式下得到的所有通道的信号叠加后求平均，得到相关电位。确定不同训练模式下相关电位的分布区域。
步骤3、构建脑功能网络并提取网络特征。具体过程为：
步骤3.1、采取互相关的分析方法，计算两两通道之间的脑电信号互相关系数得到连接系数矩阵：
其中x与y表示脑电时间序列，i与j表示EEG信号的采样节点，n表示总采样节点数。Rxy的值介于0和1之间，值为0表明信号之间完全不相关，值为1表明信号之间完全相关。
步骤3.2、选择阈值将连接系数矩阵转化为二值矩阵，根据二值矩阵得到脑功能网络的拓扑结构，并计算采样节点的节点度、聚类系数和网络的全局效率。
节点i的节点度为：
其中hij为二值矩阵中的元素，当节点i与j之间存在连接时hij＝1，反之hij＝0。
节点i的聚类系数为：
其中dij为节点i与j之间最短的通讯路径所经过的连接边数，V是脑功能网络中所有节点的集合。
计算得到所有采样节点的节点度值，取节点度值较大的区域作为节点集中区域。
步骤4、将步骤2确定的相关电位的分布区域和步骤3确定的节点集中区域中重合的区域作为训练的核心脑区。当核心脑区位于左背外侧前额叶皮层时，将电刺激仪的阳极电极放置于F3处，当核心脑区为右背外侧前额叶皮层，将电刺激仪的阳极电极放置于F4处，两种情况下电刺激仪的阴极电极放置于核心脑区对侧的眼眶上区。其中F3和F4的位置参考国际10-20脑电图定位系统。
步骤5、按步骤4确定的位置放置阴、阳电极，在有电刺激的条件下对使用者进行训练；然后在没有电刺激的条件下对使用者再进行一轮训练，并采集此时的脑电信号。
步骤6、根据步骤5采集的没有电刺激时的脑电信号，构建脑功能网络并提取特征，与上一次训练时的特征进行比较，得到经颅直流电刺激后效带来的大脑连通特性改变状况，据此调整训练过程中电刺激仪的刺激时长与电流密度。
本发明具有以下有益效果：
1、将经颅直流电刺激与基于Baddeley的多成分模型设置的训练方法相结合，在电刺激过程中可以提高工作记忆的效果，并且还能使该效果延伸到刺激结束后。
2、采集使用者在不同阶段的脑电信号并构建脑功能网络，提取网络特征后进行比较，根据特征的变化调整电刺激的时长与电流密度，提升刺激效果。
附图说明
图1为系统使用方法的原理框图；
图2为实施例中的三种训练模式；
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的解释说明；
一种基于经颅直流电刺激的辅助记忆系统，包括电刺激仪、采集装置和训练装置。
所述电刺激仪为经颅直流电刺激仪，将阳极电极和阴极电极放置在使用者的不同脑区，根据采集装置采集的信息调整刺激的位置、时长与强度。所述采集装置通过脑电采集帽采集使用者不同状态下的脑电信号，构建脑功能网络，为电刺激仪与训练装置的参数调整提供参考。训练装置包括计算机屏幕与音响，根据Baddeley的多成分模型设置了三种不同的训练模式。
如图1所示，该系统的使用方法包括采集电刺激前的脑电数据、计算事件相关电位，进行一段时间的电刺激，分析不同训练模式下的激活脑区以确定电刺激仪的电极放置位置。然后在经颅直流电刺激下进行不同的工作记忆训练。采集每次训练后的脑电信号特征，并根据特征变化调整下一次训练中的经颅直流电刺激参数。
选择8名身体健康的成年人作为使用者，包括4名男性与4名女性。受试者年龄为22～25周岁(平均23.8周岁)，均为右利手，视力正常，无神经系统疾病史，受教育程度相当。在实验开始前受试者均未摄入影响中枢神经的药物与食物。
如图2所示，对使用者进行为期三周、每周三次的工作记忆训练，第一周的训练为颜色-位置训练，第二周的训练为语义-声音训练，第三周的训练为视听结合训练。颜色-位置的训练材料为：将计算机屏幕均分为上、下、左、右四块，品红、黄、青、黑四种颜色随机呈现在这四个位置上。语义-声音的训练材料为：在屏幕上随机显示一个单字词，计算机随机发出高频或低频声音。视听结合的训练为：在计算机屏幕的上、下、左、右任一位置将随机显示一个单字词和一种颜色，并且计算机随机发出高频或低频声音。将每周的三次训练分别设置为0-back、1-back和2-back三种不同难度。
所述0-back难度为让使用者判断当前材料与第一个材料是否相同；1-back难度为让使用者判断当前材料与其相邻的前一个材料是否相同；2-back难度为让使用者判断当前材料是否与其相隔一个位置的前一个材料相同。每个材料的展示时间为3000ms，两个材料出现的时间间隔为500ms。
在每次的工作记忆训练中，首先使用64导联的脑电采集仪采集使用者的脑电信号，计算相关电位并构建脑功能网络，确定电极位置后在电刺激下对使用者进行训练。当电刺激下的训练完成后，再对使用者进行一次没有电刺激的训练，以加强刺激带来的后效影响。采集训练后的脑电信号与训练前的对比，如果刺激后的大脑连通性能提升不显著，则考虑增加电路的密度与刺激时长。
Claims (4)
1.一种基于经颅直流电刺激的辅助记忆系统，其特征在于：包括电刺激仪、采集装置和训练装置；
所述电刺激仪为经颅直流电刺激仪，将阳极电极和阴极电极放置在使用者的不同脑区，根据采集装置采集的信息调整刺激的位置、时长与强度；所述采集装置通过脑电采集帽采集使用者不同状态下的脑电信号，构建脑功能网络，为电刺激仪与训练装置的参数调整提供参考；训练装置包括计算机屏幕与音响，根据Baddeley的多成分模型设置了三种不同的训练模式；
所述三种训练模式为颜色-位置训练、语义-声音训练以及视听结合训练；颜色-位置训练模式中，将计算机屏幕均分为上、下、左、右四块，品红、黄、青、黑四种颜色随机呈现在这四个位置上；语义-声音训练模式中，屏幕上随机显示一个单字词，计算机随机发出高频或低频声音；视听结合训练模式中，计算机屏幕的上、下、左、右任一位置将随机显示一个单字词和一种颜色，并且计算机随机发出高频或低频声音；
该系统的使用方法为：
步骤1、在电刺激前，使用脑电采集帽采集使用者在三种训练模式下的脑电信号；进行预处理后，将最后200ms的数据作为基线值；
步骤2、在电刺激后，使用脑电采集帽采集使用者在三种训练模式下的脑电信号；将脑电信号的电位与步骤1中得到的基线值相减，得到新的电位值；将每种模式下得到的所有通道的信号叠加后求平均，得到相关电位；确定不同训练模式下相关电位的分布区域；
步骤3、采取互相关的分析方法，计算两两通道之间的脑电信号互相关系数得到连接系数矩阵，然后将连接系数矩阵转化为二值矩阵，得到脑功能网络的拓扑结构；然后计算采样节点的节点度、聚类系数和网络的全局效率，将节点度值较大的区域作为节点集中区域；
步骤4、将步骤2确定的相关电位的分布区域和步骤3确定的节点集中区域中重合的区域作为训练的核心脑区；当核心脑区位于左背外侧前额叶皮层时，将电刺激仪的阳极电极放置于F3处，当核心脑区为右背外侧前额叶皮层，将电刺激仪的阳极电极放置于F4处，两种情况下电刺激仪的阴极电极放置于核心脑区对侧的眼眶上区；其中F3和F4的位置参考国际10-20脑电图定位系统；
步骤5、按步骤4确定的位置放置阴、阳电极，在有电刺激的条件下对使用者进行训练；然后在没有电刺激的条件下对使用者再进行一轮训练，并采集此时的脑电信号；
步骤6、根据步骤5采集的没有电刺激时的脑电信号，构建脑功能网络并提取特征，与上一次训练时的特征进行比较，得到经颅直流电刺激后效带来的大脑连通特性改变状况，据此调整训练过程中电刺激仪的刺激时长与电流密度。
2.如权利要求1所述一种基于经颅直流电刺激的辅助记忆系统，其特征在于：高频声音的频率为2000Hz，低频声音的频率为500Hz。
3.如权利要求1所述一种基于经颅直流电刺激的辅助记忆系统，其特征在于：步骤1中对提取的脑电信号进行预处理的方式为：使用带宽为0.15-30Hz的带通滤波器对采集到的脑电信号进行滤波，滤去无效频段，对剩下的有效频段使用独立成分分析的方法去除眨眼和眼球运动的伪迹。
4.如权利要求1所述一种基于经颅直流电刺激的辅助记忆系统，其特征在于：步骤3中构建脑功能网络与计算采样节点的节点度、聚类系数和网络的全局效率的具体过程为：
步骤3.1、采取互相关的分析方法，计算两两通道之间的脑电信号互相关系数得到连接系数矩阵：
其中x与y表示脑电时间序列，i与j表示EEG信号的采样节点，n表示总采样节点数；Rxy的值介于0和1之间，值为0表明信号之间完全不相关，值为1表明信号之间完全相关；
步骤3.2、选择阈值将连接系数矩阵转化为二值矩阵，根据二值矩阵得到脑功能网络的拓扑结构，并计算采样节点的节点度、聚类系数和网络的全局效率；
节点i的节点度为：
其中hij为二值矩阵中的元素，当节点i与j之间存在连接时hij＝1，反之hij＝0；
节点i的聚类系数为：
其中dij为节点i与j之间最短的通讯路径所经过的连接边数，V是脑功能网络中所有节点的集合。
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