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

美國食品及藥品管理局聲稱經(jīng)顱近紅外激光刺激(Transcranial photobiomodulation, tPBM)是一種非常有前途、經(jīng)濟(jì)且安全的改善人類認(rèn)知功能的替代方案^[1]。如圖1所示，它的干預(yù)機(jī)制是利用近紅外光非侵入式地穿過顱骨進(jìn)入大腦皮層，顱內(nèi)神經(jīng)元中的細(xì)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(yīng)中的催化效率，在細(xì)胞層面表現(xiàn)為線粒體呼吸鏈反應(yīng)中合成三磷酸腺苷(adenosine triphosphate, ATP)的效率提升，最終實(shí)現(xiàn)對神經(jīng)元內(nèi)線粒體的呼吸作用的調(diào)節(jié)^[2]。最近，上海交通大學(xué)研究者發(fā)表在著名光學(xué)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(rèn)知障礙并減少β淀粉樣蛋白的沉積^[3]。而在國內(nèi)還沒有tPBM應(yīng)用于改善人的認(rèn)知能力的研究報(bào)道。

圖1. A手持經(jīng)顱紅外激光刺激設(shè)備；B對右側(cè)前額進(jìn)行TILS干預(yù)；C 激光的有效入射區(qū)域；D 群體水平的“刺激—反應(yīng)”曲線^[4]

2022年12月2日，北京師范大學(xué)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與學(xué)習(xí)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室宋艷教授課題組課題組在《Science Advances》雜志上在線發(fā)表題為“Transcranial photobiomodulation enhances visual working memory capacity in humans”的研究論文。該研究通過四個(gè)雙盲對照實(shí)驗(yàn)，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(jìn)行視覺工作記憶任務(wù)時(shí)的腦電和行為數(shù)據(jù)，研究首次論證了經(jīng)顱光刺激技術(shù)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(fā)現(xiàn)1064 nm 光刺激作用于右側(cè)前額葉可以顯著提高個(gè)體的視覺工作記憶容量，并擴(kuò)大工作記憶容量相關(guān)的事件相關(guān)電位（Event-Related potentials, ERP)成分——對側(cè)延遲活動(dòng)（Contralateral Delay Activity, CDA)。重要的是，CDA的負(fù)載效應(yīng)是光生物調(diào)節(jié)和工作記憶行為增強(qiáng)的中介。

圖2. 1064nm 光生物調(diào)節(jié)刺激右側(cè)前額葉可以增大工作記憶容量相關(guān)的腦電指標(biāo)，并預(yù)測行為的增益。

同時(shí)，研究者還發(fā)現(xiàn)光生物調(diào)節(jié)技術(shù)對工作記憶的行為改善具有波長和腦區(qū)特異性。如圖3所示，實(shí)驗(yàn)三發(fā)現(xiàn)只有1064 nm的光刺激可以改善個(gè)體的工作記憶容量，而產(chǎn)生熱量一致的852 nm的光生物調(diào)節(jié)刺激則不會(huì)產(chǎn)生行為以及電生理上的顯著變化。另外，實(shí)驗(yàn)四通過變更刺激腦區(qū)，發(fā)現(xiàn)1064 nm的光刺激對個(gè)體的工作記憶的提升效應(yīng)消失。

圖3. 光刺激對工作記憶的波長特異性。

該項(xiàng)研究工作得到了國家自然科學(xué)基金（31871099，61761166003）等項(xiàng)目的資助。北師大珠海校區(qū)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(xué)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(shù)據(jù)采集；美國德州大學(xué)劉漢莉（Hanli Liu）教授，英國伯明翰大學(xué)Ole Jensen教授，北師大李小俚教授和牛海晶副教授也對此項(xiàng)研究工作也做出了重要貢獻(xiàn)。

文章鏈接：https://doi.org/10.1126/sciadv.abq3211

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