北京师范大学宋艳课题组在《Science Advances》发表“经颅近红外激光刺激提升人类工作记忆”的研究论文

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工作记忆——在几秒钟内主动“记住”有用信息的能力——在许多高级认知活动中起着至关重要的作用。由于工作记忆能力的个体差异可以预测流体智力和广泛的认知功能，这使得提高工作记忆能力成为干预和增强的有吸引力的目标。

美国食品及药品管理局声称经颅近红外激光刺激(Transcranial photobiomodulation, tPBM)是一种非常有前途、经济且安全的改善人类认知功能的替代方案[1]。如图1所示，它的干预机制是利用近红外光非侵入式地穿过颅骨进入大脑皮层，颅内神经元中的细胞色素c氧化酶(cytochrome c oxidase, CCO)通过吸收光子提升了自身在氧化磷酸化反应中的催化效率，在细胞层面表现为线粒体呼吸链反应中合成三磷酸腺苷(adenosine triphosphate, ATP)的效率提升，最终实现对神经元内线粒体的呼吸作用的调节[2]。最近，上海交通大学研究者发表在著名光学期刊Light: Science & Applications上的研究指出1070 nm的激光照射可以改善阿尔茨海默症小鼠的认知障碍并减少β淀粉样蛋白的沉积[3]。而在国内还没有tPBM应用于改善人的认知能力的研究报道。

图1. A手持经颅红外激光刺激设备；B对右侧前额进行TILS干预；C 激光的有效入射区域；D 群体水平的“刺激—反应”曲线[4]

2022年12月2日，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课题组课题组在《Science Advances》杂志上在线发表题为“Transcranial photobiomodulation enhances visual working memory capacity in humans”的研究论文。该研究通过四个双盲对照实验，被试接受光刺激和安慰剂照射之后，采集了90名正常成年人进行视觉工作记忆任务时的脑电和行为数据，研究首次论证了经颅光刺激技术对人类视觉工作记忆容量改善的有效性以及特异性。

如图2所示，研究者发现1064 nm 光刺激作用于右侧前额叶可以显著提高个体的视觉工作记忆容量，并扩大工作记忆容量相关的事件相关电位（Event-Related potentials, ERP)成分——对侧延迟活动（Contralateral Delay Activity, CDA)。重要的是，CDA的负载效应是光生物调节和工作记忆行为增强的中介。

图2.1064nm 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。

同时，研究者还发现光生物调节技术对工作记忆的行为改善具有波长和脑区特异性。如图3所示，实验三发现只有1064 nm的光刺激可以改善个体的工作记忆容量，而产生热量一致的852 nm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。另外，实验四通过变更刺激脑区，发现1064 nm的光刺激对个体的工作记忆的提升效应消失。

图3.光刺激对工作记忆的波长特异性。

该项研究工作得到了国家自然科学基金（31871099，61761166003）等项目的资助。北师大珠海校区博士后赵晨光和北师大宋艳课题组博士生李东伟为论文的并列第一作者，通讯作者为北京师范大学宋艳教授；宋艳课题组成员博士生孔元君，硕士生胡怡清，刘宏钰参与了数据采集；美国德州大学刘汉莉（Hanli Liu）教授，英国伯明翰大学Ole Jensen教授，北师大李小俚教授和牛海晶副教授也对此项研究工作也做出了重要贡献。

文章链接：

https://doi.org/10.1126/sciadv.abq3211

1.Rojas, J.C. & Gonzalez-Lima, F. Neurological and psychological applications of transcranial lasers and LEDs. Biochemical pharmacology, (2013), 86, 447-457.

2.Saucedo, C.L., et al. Transcranial laser stimulation: Mitochondrial and cerebrovascular effects in younger and older healthy adults. Brain Stimul, (2021), 14, 440-449.

3.Tao, L., et al. Microglia modulation with 1070-nm light attenuates Abeta burden and cognitive impairment in Alzheimer's disease mouse model. Light Sci Appl, (2021), 10, 179.

4.Wang, X., et al. Up-regulation of cerebral cytochrome-c-oxidase and hemodynamics by transcranial infrared laser stimulation: A broadband near-infrared spectroscopy study. J Cereb Blood Flow Metab, (2017), 37, 3789-3802.