艾瑞网：tDCS等通过干预脑波（θ波段）提高学生数学能力的研究

【背景分析】

自2000年起，通过微弱电流刺激大脑特殊部位，以达到改善认知、增强记忆的研究，逐步兴起。经过20多年的发展，已经形成了以经颅直流电干预（tDCS）、经颅交流电刺干预（tACS）、随机噪声干预（tRNS）、脉冲电流干预和慢振荡干预等多种技术模式。

其中，应用最为广泛的是经颅直流电干预（tDCS）和经颅交流电刺干预（tACS）。在学习方面的应用，主要体现在提高记忆力、注意力、工作记忆能力等，尤其是在数学方面，能够提高计算准确率、缩短计算用时，提升应用题、空间几何题的解题能力。

【研究进展】

来自奥地利格拉茨大学的约亨·莫斯巴赫（Jochen A. Mosbacher）教授，和来自哥廷根大学数学研究所的斯特凡·哈弗沙伊德（Stefan Halverscheid）教授领导的科研团队，采用通过对137名不同年级的学生，进行了三组干预方案的对比研究，研究哪种干预方式对提升学生能力、进而提升数学成绩最为有效。

三种干预方案分别是：1、经颅直流电刺干预（tDCS），2、α波段经颅交流电干预（tACS-α），3、θ波段经颅交流电干预（tACS-θ）。

研究发现，三种干预方案都提升了学生的数学能力，其中θ波段经颅交流电干预（tACS-θ）效果最为明显，主要表现在：

1、提高了学习效率，特别在新知识学习方面，能更加快速的和所学知识建立联系；

2、提升计算能力，计算的正确率、计算用时都有明显提高；

3、提高了抗干扰能力，特别是在考试中，遇到干扰（包括试验人员故意制造的噪声干扰、考试题中故意设置的超纲题目干扰）依然能稳定发挥。

【试验说明】

本次研究，共有137名学生参与，其中男生89人，女生48人，共分为7组。分别是伪刺激（Sham组）、接受左额阳极tDCS干预组（tDCS-f）、接受左顶叶阳极tDCS干预组（tDCS-p）、接受左额或顶叶tACS-α波段干预组（alpha-tACS-f、alpha-tACS-p）、接受左额或顶叶tACS-θ波段干预组（theta-tACS-f、theta-tACS-p）。

tDCS干预方案：初始设定为每次1mA，25分钟，其中电流强度在30秒内从0达到1mA，然后根据学生情况调整，最高为1.5mA；

tACS干预方案：干预波段包含θ波段3-6 Hz、低α波段8-10 Hz、 高α波段10-13 Hz、β波段13-30 Hz，干预同时通过EGG监控学生大脑变化。

试验过程如下图所示（以tACS-α波段干预为例，其他各组试验流程相同）：

准备阶段：上图左侧灰色部分所示，学生收到试验说明，然后工作人员分两次采集学生脑电（第一次是tDCS或tACS干预，但不做题时候的脑电；第二次是安静状态下的脑电），作为初始数据；

干预阶段：上图中间蓝色部分（Block1-5）部分，试卷将题目平均分为5个单元，学生做第1单元不干预，第2、3单元进行tDCS或tACS干预，第4、5单元不进行干预，每个单元中间休息1分钟，并全程测量学生脑电（EGG）变化；

结束阶段：上图右侧灰色部分所示，做完试卷后，在测量一次学生处于安静状态下的脑电。

说明：试验包括计算能力测试、新知识学习测试等，在不同的测试中，Block1-5的内容也不同。如在计算能力测试中已若干道四则运算题目为一个单元（Block），在新知识学习测试中则以概念说明+例题+练习一个单元（Block）。

【结果分析】

如上图所示，统计了在新知识学习过程中，每组学生需要重复检索（如向前查看概念、例题）的次数结果，tACS-θ波段干预组重复检索的次数最少，其他试验结果与之类似，这里不再赘述。

如上图所示，为了验证不同干预方案，测试成绩与各脑电变化的关系，试验人员对比了各组学生试验中从开始干预、结束干预、干预结束后（约10分钟）三个阶段脑电各波段变化情况（θ波段-theta、低α波段-lower-alpha、 高α波-upper-alpha、β波段-Bata）

可以明显看出，θ波段-theta的变化最为明显。干预过程中，降低了各个脑区θ波段的频率；而随着干预结束，各脑区θ波段又恢复到干预前甚至更高；这也解释了为什么tACS-θ波段干预组在测试中成绩更为优秀的原因。

【安全性分析】

如上图所示，试验中主要不适感为刺痛或瘙痒，感觉等级均在2级以下（1~5级，分别为1级-几乎感觉不到、2级-感觉轻微、3级-有明显感觉、4级-有明显感觉但不影响使用、5级-感觉明显无法继续使用），说明无论是tDCS干预还是tACS干预，都是符合安全标准的。

说明：tDCS和tACS，欧洲各国和美国的安全标准有所区别。一般采用美国国立卫生研究院（National InstitutesofHealth，NIH）推荐的标准，即在使用合适的电极和导电膏条件下，电流密度在＜25.46A/㎡为安全范围。根据这个标准，目前主流的tDCS和tACS设备，电流强度在0.5~2mA，根据模拟试验的结果，约为0.2~0.5A/㎡，约是该标准的0.5%~1%。

【研究结论】

tDCS和tACS技术，都能提高学生的注意力、记忆力、学生能力。由于每个学生情况不同，操作上需要采取不同的干预方案。

【参考文献】

Mosbacher J A, Halverscheid S, Pustelnik K, et al. Theta Band Transcranial Alternating Current Stimulation Enhances Arithmetic Learning: A Systematic Comparison of Different Direct and Alternating Current Stimulations[J]. Neuroscience, 2021, 477: 89-105.

原文链接：https://news.iresearch.cn/yx/2022/09/446503.shtml