tPBM（经颅近红外激光干预）全方位提高人类认知

【背景介绍】

从上世纪60、70年代起，通过非侵入性脑刺激 (NIBS) 技术，应用于特定头皮或多个脑回路，已被证明可用于改善与认知相关的能力。

通过使用MRI(核磁共振成像)、EEG(脑电图)、ERP(事件相关电位)等方法检测，发现使用NIBS干预以后，人们认知能力提高，和神经生理学变化相关，包括与认知功能相关的脑区连接增加，神经元活动加强，相关神经递质水平发生变化等等。

目前，非侵入性脑刺激 (NIBS)技术主要包括脑电神经反馈、经颅直流电/交流电干预(tDCS/tACS)、经颅磁干预(TMS)等技术，除了应用于与神经系统相关的临床疾病的治疗(如阿尔茨海默症、自闭症等)，也广泛应用于注意力提升、认知能力提升等。像飞行员注意力训练、运动员训练(如射击、击剑等需要快速反应做出判断的项目)、宇航员训练等，已经普遍采用此类技术。

【研究进展】

2022年12月2日，由北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室宋艳教授领导，由英国伯明翰大学心理学院、美国德克萨斯州阿灵顿大学分校生物工程系等组成的国际专家团队，在《Science Advances》发表了通过tPBM(经颅近红外激光干预)，提升认知功能的研究。

【tPBM(经颅近红外激光干预)】

它是一种在人脑的特定部位给予近红外光刺激的技术，其原理是应用近红外光无衰减地通过颅骨作用于脑组织，通过线粒体细胞色素C氧化酶( Cytochrome-c-oxidase，CCO) 促进ATP能量生成，从而调节脑功能状态。

近红外光已经应用于临床治疗，例如治疗局部血管痉挛、促进伤口愈合、治疗色斑等;另一些研究表明，近红外光可抑制细胞内促炎因子的产生，减轻炎性反应和氧化应激。还可以刺激神经元生成，刺激神经生长因子介导的突起的生长，对轴突保护有积极的意义。

【试验研究】

研究团队采用1064nm光刺激右侧前额叶，为了保证试验效果客观，共进行了四次双盲、伪刺激对照的tPBM试验。

试验方案(图B)和真伪试验过程(图A)

同时，通过两个经典的认知功能测验(定向测验、颜色任务测验)评估干预效果。测验过程(图C)和测验结果(图D)如下图所示：

可以看到tPBM干预后(红色)，对比伪刺激(蓝色)，两个测验的得分高于伪刺激。

如上图所示，ERP检查(图A、B)和脑电地型图检查(图C、D)发现1064nm光生物调节刺激右侧前额叶可以增大工作记忆容量相关的脑电指标，并预测行为的增益。

在干预的激光波长方面，研究团队测试了852nm和1064nm两种波长的激光，发现只有1064 nm的光刺激可以改善个体的工作记忆容量，而852nm的光生物调节刺激则不会产生行为以及电生理上的显著变化。

如上图(图D)所示，1064nm干预，测试成绩变化明显;而852nm干预，测试成绩无显著变化。

在干预脑区选择上，研究团队测试了左侧和右侧PFC(前额叶皮层)，发现只有干预右侧PFC时，认知能力才有显著提升，而干预左侧PFC，则没有显著变化。

如上图(图D)所示，干预左侧前额叶(left PFC)，测试成绩没有显著变化;而干预右侧前额叶(right PFC)，测试成绩显著提升。

【研究结论】

综上所述，研究团队最后得出结论，采用特定波长(1064nm)的tPBM干预特定脑区(右侧前额叶)，可以显著提升人的认知能力。

【1064nm波长激光的优越性】

目前市场上存在的激光理疗产品，波长有660、810、980和1064 nm等，究竟哪一种波长是最能激发光生物刺激作用?主要通过自噬(autophage)机制检测。

自噬是细胞的“清洁”机制，帮助细胞产物在合成、降解以及接下来的循环中保持一个平衡状态，用来维持有序的生命活动。

病理条件下，细胞自噬能力会逐渐衰退，长时间不清理异常蛋白和细胞器的系统，会导致大量有害物质堆积。

研究发现，在660、810、980和1064nm中，1064nm引发的自噬效果最明显;在医院皮肤科去除色斑的的治疗实践中，采用532nm激光疗程，4个疗程可见明显改善;而采用1064nm激光，2个疗程就可见明显改善。

【参考资料】

Zhao C, Li D, Kong Y, et al. Transcranial photobiomodulation enhances visual working memory capacity in humans[J]. bioRxiv, 2022.