武警海警学院，浙江 宁波

收稿日期：2022年12月1日；录用日期：2023年1月10日；发布日期：2023年1月19日

摘要

认知增强是指采用任何合法手段使健康个体达到最佳表现。近年来，经皮迷走神经刺激(transcutaneous vagus nerve stimulation, tVNS)作为一种认知增强技术受到研究者的高度关注。既有研究表明，tVNS对认知的多个方面产生影响，并有可能在饮食行为和亲社会行为两个领域得到应用。未来可从丰富刺激参数设置、选取恰当测量指标、考量个体差异变量以及联合其他认知增强技术等方面改进研究。

关键词

经皮迷走神经刺激，经皮耳迷走神经刺激，经皮颈迷走神经刺激，认知增强

To Become Smarter: Does Transcutaneous Vagus Nerve Stimulation Enhance Cognition?

Sheng Xu, Dongqi Liu

China Coast Guard Academy, Ningbo Zhejiang

Received: Dec. 1^st, 2022; accepted: Jan. 10^th, 2023; published: Jan. 19^th, 2023

ABSTRACT

Cognitive enhancement refers to the use of any legitimate means to make healthy people reach to one’s best. In recent years, researchers highly focus on transcutaneous vagus nerve stimulation (tVNS) as one of the cognitive enhancement technologies. Studies have shown that tVNS has impacts on many aspects of cognition. In addition, tVNS may be applied to adjusting the dietary behavior and prosocial behavior of healthy people. Future research should enrich the stimulus parameters set, select the appropriate measurement index, consider individual differences and combine other cognitive enhancement techniques.

Keywords:Transcutaneous Vagus Nerve Stimulation, Transcutaneous Auricular Vagus Nerve Stimulation, Transcutaneous Cervical Vagus Nerve Stimulation, Cognitive Enhancement

Copyright © 2023 by author(s) and Hans Publishers Inc.

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1. 引言

“更快、更高、更强——更团结”——新奥林匹克格言凝聚了人类在追求卓越道路上的美好愿望。为此，在实现个人和集体目标的过程中，人们想方设法努力发挥自身的最大潜能。然而，这样的目标并非总能实现，因而需要科学的介入以便帮助人们寻找提升自身能力和表现的方法或技术。认知增强(cognitive enhancement)就是这样的研究领域。认知增强是指采用任何合法手段使健康个体达到最佳表现(Colzato, 2018)。在这诸多合法手段中，非侵入性脑刺激(non-invasive brain stimulation, NIBS)技术近年来受到研究者的高度关注(游旭群等，2019)，经皮迷走神经刺激(transcutaneous vagus nerve stimulation, tVNS)是其中一种富有前景的NIBS技术(Colzato & Beste, 2020)。

人的第10对脑神经为迷走神经，它不但能够调节诸如咽喉肌肉、内脏平滑肌以及心肌等多种脏器的活动，还影响着脑自身的功能实现(顾楠楠，李春波，2020)。有鉴于此，迷走神经刺激(vagus nerve stimulation, VNS)作为一种治疗手段已被美国食品药品监督管理局先后批准用于治疗难治性癫痫和抑郁症(Cristancho et al., 2011)。但植入性VNS存在有创、风险高且价格昂贵等局限(康君伟等，2022)，而由植入性VNS发展而来的tVNS则是一种无创、安全、经济的刺激迷走神经的NIBS技术(Badran et al., 2018; Capone et al., 2015; Kreuzer et al., 2012; Redgrave et al., 2018)，它由Ventureyra (2000)首次提出。tVNS传输系统依赖于迷走神经传入的皮肤分布，或在外耳(迷走神经耳支)，或在颈部(迷走神经颈支)。解剖学证据表明，耳甲区(auricular concha region)是哺乳动物体表唯一有迷走神经分布的区域(Butt et al., 2020)。因而相较于经皮颈迷走神经刺激(transcutaneous cervical vagus nerve stimulation, tcVNS)，研究者多使用经皮耳迷走神经刺激(transcutaneous auricular vagus nerve stimulation, taVNS)。He等(2013)结合tVNS和神经示踪技术，在健康成年雄性大鼠耳甲区注射荧光示踪剂霍乱毒素B亚单位，他们发现跨突触标记到的神经纤维终止于孤束核(nucleus of tract solitary, NTS)尾部。同样地，tVNS刺激健康成人左耳或右耳耳甲部产生了NTS-边缘叶脑网络的调制效应(方继良等，2014；Frangos et al., 2015)。既有研究表明，tVNS主要通过去甲肾上腺素(norepinephrine, NE)、γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid, γ-GABA)等神经递质对认知进行调控(Colzato & Beste, 2020; van Leusden et al., 2015)。目前tVNS对健康人认知影响的相关研究不断涌现，但仍处于初步发展阶段。为更好地促进未来研究，本文首先对现有tVNS影响健康人认知表现的实证研究进行梳理，接着说明tVNS在健康人饮食行为和亲社会行为两个领域的应用可能性，最后指出未来可能的研究方向。

2. 经皮迷走神经刺激对认知的影响

2.1. 感知觉

内感受(interoception)是对内部身体状态的感受能力，它是支持各种高级认知功能的基础感觉。Villani等(2019)利用心跳计数任务和心跳识别任务来探求taVNS对心脏内感受的影响。结果表明，相较于伪刺激，taVNS提高了参与者对心跳识别的准确性但不影响心跳计数；另外，虽然参与者在接受真刺激期间对内感受敏感性的判断更有信心，但taVNS并没有调节内感受意识。Richter等(2020)则采用tcVNS进一步表明迷走神经在内感受过程中对神经内脏整合起着直接作用。

2.2. 抑制控制

Beste等(2016)利用向后抑制范式和心理负荷反应抑制范式探讨了taVNS对健康大学生抑制控制不同方面的影响。结果显示，当且仅当工作记忆加工需要控制反应抑制时，taVNS才提高反应抑制表现。Fischer等(2018)还发现，taVNS促使健康大学生在反应冲突发生后对Simon任务中的空间不相容试次有着更快的反应。Keute等(2020)考察了taVNS如何影响健康年轻人反应冲突的行为表现和额中线θ波活动。结果表明，在诱发go/stop冲突的试次中，taVNS相较于伪刺激降低了冲突成本且提高了额中线θ波活动。但taVNS并非总能减少反应冲突，如taVNS会降低健康参与者在第二阶段flanker任务上的反应准确性(Konjusha et al., 2022)。

日常生活中，人们在面对多种反应选择时需要对反应进行优先级处理。Steenbergen等(2015)利用停止–改变范式证明，taVNS可以增强健康大学生动作级联期间反应选择功能且加快在连续执行两个动作时的反应。Jongkees等(2018)表明，taVNS相较于伪刺激增强健康大学生在序列反应时任务中的反应选择。

Keute等(2018)采用阈下反应启动范式联合脑电图(electroencephalogram, EEG)测量以检测taVNS对健康年轻人自主运动抑制的行为和电生理表现。其中，阈下反应启动范式可以测量负相容性效应(negative compatibility effect, NCE)，这是由于自主运动抑制可以引发启动效应的反转；EEG测量选择单侧化准备电位(lateralized readiness potentials, LRP)作为指标。结果发现，taVNS增强同侧手NCE，显著减少对侧半球LRP振幅并伴随其潜伏期的增加。

2.3. 认知灵活性

Keute, Boehrer等(2019)探讨了taVNS对健康年轻人视觉双稳态知觉的影响。视觉双稳态知觉任务包括一个静态任务(纳克立方体)和一个动态任务(运动产生的结构)。遗憾的是，他们并没有发现taVNS可以调节双稳态知觉。Tona等(2020)采用意外的线索化任务转换范式揭示了不同刺激强度的taVNS (0.5 mA和1.0 mA)不影响健康年轻人的任务转换成绩。然而，有研究表明，taVNS可以提高健康参与者在定势转移范式中的认知灵活性，其表现在转换代价在taVNS比在伪刺激期间减小(Borges et al., 2020)。Borges等(2020)还发现taVNS可能对认知灵活性比对抑制控制有着更强的影响。

福流是指人们完全沉浸在一项活动时所体验到一种愉快的心理状态。Colzato，Wolters和Peifer (2018)发现taVNS降低了健康大学生的福流体验。根据网络重置理论，taVNS可以增强蓝斑(locus coeruleus, LC)的激活从而促进了整体性的注意重置，这允许行为快速适应不断变化的环境。

2.4. 学习与记忆

tVNS对学习与记忆的影响表现在多个方面：1) 联想学习与记忆。taVNS可以提高健康老年人的联想记忆表现(Jacobs et al., 2015)。当taVNS与易于学习的类别相配对时，taVNS稳定增强了英语为母语且不熟悉普通话的健康成人的语音类别学习和正确的刺激–反应联结的保持(Llanos et al., 2020)。2) 工作记忆。Sun等(2021)发现离线taVNS可以增强健康大学生的空间工作记忆且增强效果特异于空间3-back任务。3) 顺序记忆。Kaan等(2021)对健康年轻人施加taVNS和伪刺激发现，taVNS可以提高语音相似项目上顺序记忆任务的准确性。4) 情绪记忆。虽然taVNS并不影响两个年龄群体(18~30岁和45~80岁)有关词汇的即时回忆和延迟再认的准确性分数(Mertens et al., 2020)，但当基于熟悉度和回忆记忆的信心评级来划分击中率时，无论效价如何，taVNS相较于伪刺激提高了健康大学生对情绪词的回忆表现(Giraudier et al., 2020)。Ventura-Bort等(2021)利用taVNS发现了情绪记忆比中性记忆更容易记忆的潜在机制。他们在健康大学生暴露于情绪唤醒和中性场景期间施加连续taVNS，并在1周后检验其长期记忆。结果表明，相较于伪刺激，taVNS提高情绪材料而不是中性材料的记忆表现；编码期间的脑电位揭示了taVNS促进了情绪场景的记忆识别且影响了情绪场景提取期间更大的回忆相关脑电。5) 恐惧记忆。Burger及其同事(Burger, Van Diest et al., 2019; Burger, Verkuil et al., 2016)实施的两项研究发现，taVNS有助于加速健康大学生恐惧记忆的消退。Burger等(2016)对31名健康大学生实施恐惧条件作用后随机分配接受taVNS或伪刺激，他们发现相较于伪刺激，接受taVNS的参与者在恐惧条件作用24小时后有加速消除恐惧的效果(but see Burger et al., 2018 for non-replication)。进一步研究表明，接受taVNS的健康大学生主观报告更高的恐惧消退水平，但taVNS不影响恐惧增强惊吓反应(Burger et al., 2019)。

2.5. 思维

提升创造力既是个人需要也是社会需求。创造性思维是发散思维和聚合思维的统一体，且发散思维是创造性思维的主要成分。Colzato，Ritter和Steenbergen (2018)评估了taVNS对健康大学生的发散思维(通过非常规使用任务评估)和聚合思维(通过远距离联系测验、创造性问题解决和观点选择任务三个任务评估)的影响。结果表明，相较于伪刺激，taVNS提高了发散思维的表现。

问题解决是思维活动的另一个重要表现形式。研究发现，与接受伪刺激相比，接受tcVNS的健康成人在视觉空间推理任务和强迫选择识别任务上有着更好的表现(Klaming et al., 2022)。具体来说，接受tcVNS的个体可以在矩阵推理任务的容易和困难项目上有着更高的准确率，且在强迫选择任务中有着更少的错误。

人们的决策行为也可受到tVNS的调节：1) 错误后减慢(post-error slowing, PES)。速度–准确性权衡原则表明，人们会为了保证反应准确性而牺牲反应速度。PES是速度–准确性权衡原则的一个体现，它是指人们在犯错后往往会减缓反应速度的现象。Sellaro, van Leusden等(2015)评估了taVNS对健康大学生在flanker任务和听觉四项选择反应时任务PES的影响。研究表明，taVNS相较于伪刺激增大了PES。然而，Borges等(2021)发现taVNS刺激位置对健康大学生PES的影响不存在显著差异。2) 决策动机。Kühnel等(2020)利用go/nogo强化学习范式考察了taVNS对健康参与者夜间禁食后的接近和回避行为的作用。结果显示，taVNS严重损害决策，尤其是降低被惩罚后的学习速率。3) 跨期决策。根据躯体标记假设，情绪可以通过迷走神经传递并最终影响决策。据此，Steenbergen等(2020)考察了taVNS对健康参与者决策冲动性的影响。他们发现，相较于伪刺激，taVNS对奖赏折扣的影响依赖于积极情绪的唤醒度。具体而言，当且仅当个体处在较低唤醒水平的积极情绪时，taVNS才能提高个体的折扣率。

2.6. 社会认知

正确识别和解码他人情绪的能力是社会认知的一个重要方面。多层迷走神经理论提出，迷走神经是调节情绪和社会行为的种系发生的关键基础。Colzato等(2017)首次利用“以眼读心”测验证实taVNS可以提高健康大学生解码他人情绪的能力，但仅限于对容易项目的情绪识别。tVNS和情绪识别之间的因果联系是否可以推广到整个面孔和身体表情？Sellaro等(2018)比较了taVNS对健康年轻人识别静态面部和身体表情的影响发现，taVNS增强了面部而不是身体情绪识别。Maraver等(2020)在快速序列视觉呈现任务中向健康大学生呈现不同效价的情绪面孔。结果发现，taVNS对情绪识别的影响主要取决于对直接注视(凸显的社会线索)的注意。进一步研究表明，taVNS使唾液催产素分泌水平和对鼻子区域的注视时长呈正相关(Zhu et al., 2022)。然而，人们在现实生活中经常要从动态变化的身体中识别情绪。Steenbergen等(2021)为此考察了taVNS对健康年轻人静态和动态身体情绪识别能力的影响。他们发现，不管是静态还是动态身体表情，相较于伪刺激，taVNS增强了对愤怒情绪的识别能力但削弱了对悲伤表情的识别能力。

认知重评是自我情绪调节的有效策略之一。Ferstl等(2021)考察了taVNS如何影响消耗精力后的健康参与者的情绪恢复。他们发现，taVNS提高了个体在消耗体力和脑力后的积极情绪但仅在后刺激阶段出现，且taVNS可以更大程度上提高处于较低基线水平积极情绪个体的动机。更为直接的证据表明，taVNS能够使健康参与者更好地采用认知重评策略且对情绪诱发图片的反应评价为不紧张(De Smet et al., 2021)。

最近，基于对宗教性和精神性研究兴趣的增长，Finisguerra等(2019)利用taVNS揭示了皮质下和皮质内侧区域与外显和内隐宗教性/精神性表征之间的因果关系。他们分别采用问卷和内隐联系测验对24名意大利籍莱顿大学学生的宗教性、精神性和自尊进行外显和内隐测量。研究表明，相较于伪刺激，taVNS减少了自我和精神性之间自动联系的强度。

2.7. 小结

综上，一系列实证研究表明，tVNS对认知功能的多个领域具有提升作用，但并非可以增强所有认知领域的表现，即使对于同一认知领域也存在不一致的结果。tVNS的刺激作用之所以存在差异，原因可能是它的效果依赖于多种影响因素，如tVNS刺激参数设置、所选取的认知范式以及参与者个人特点。为了更好地探究tVNS的刺激效果，未来需要精细化tVNS研究设计。

3. 经皮迷走神经刺激的应用

3.1. 经皮迷走神经刺激调节饮食行为

想要保持好身材，饮食是关键。迷走神经在调节食物摄取中起着至关重要的作用，迷走神经传入信号可能通过负稳态反馈机制调节食物线索反应性。Obst等(2020)首次探究了taVNS如何作用于认知加工而对饮食行为产生影响。在接受2 h taVNS或伪刺激后，健康参与者观看一个由食物和客体图片组成的oddball任务，其观看时的脑电数据被同步记录。遗憾的是，他们发现，taVNS的作用效果并非特异于食物图片且不影响食物摄取，但伪刺激条件下P2振幅与食物摄取量之间成显著负相关。此外，taVNS并不影响健康参与者对食物喜好度的主观评价(Müller et al., 2022)。但有研究发现，taVNS可增加健康参与者对低热量食物的喜爱(Öztürk et al., 2020)。Alicart等(2021)使用功能性核磁共振成像(functional magnetic resonance imaging, fMRI)进一步评估了taVNS对健康女性食物相关刺激神经加工的潜在效果。fMRI结果表明taVNS对食物图片加工产生了调节效应，但行为学证据显示taVNS使参与者对食物图片喜好度下降却不影响食物消耗量。Altınkaya等(2022)比较了不同位置taVNS对14名健康参与者在饥饿和饱食状态下的自主神经输出(心率变异性)和传出代谢(胃蠕动频率和基础能量消耗)的影响。他们发现：1) 饮用可口的饮料前，参与者处于饥饿状态，taVNS的刺激位置对胃蠕动频率和基础能量消耗的影响没有显著差异，但位于耳甲艇的taVNS降低了心率变异性和参与者对喝饮料欲望的评价；2) 饮用可口的饮料后，taVNS不影响胃蠕动频率，且无论刺激位置如何都会增加基础能量消耗，除了耳甲艇外的其他位置都会导致心率变异性降低。这些结果表明，饥饿状态下，位于耳甲艇的taVNS对迷走神经张力的影响与消耗食物时相似，即降低心率变异性。实际上，食物之所以能让人们大快朵颐，往往是因为它色香味俱全。现有研究考虑到了食物的视觉特征以及口味，但忽视了tVNS可能对食物气味的感知影响。因此，未来研究应综合考虑食物的色香味形来考察tVNS对健康人饮食行为的调节作用。

3.2. 经皮迷走神经刺激调节亲社会行为

亲社会行为是人类得以成功生存和繁衍的重要前提，而高水平共情是促使人们表现出亲社会行为的一个潜在机制。Sellaro，Steenbergen等(2015)考察了taVNS是否有可能增强在线抛球游戏中健康大学生的亲社会行为。在他们的研究中，游戏共包含两部分，每个部分有三个block，两部分唯一的不同在于第三个block中包含附加操纵：受社会排斥个体的面部表情从中性变得悲伤或始终保持中性。结果表明，taVNS并不直接调节在线抛球游戏的替代性排斥反应，也就是说，相较于伪刺激，taVNS下的参与者并没有把更多的球抛给未知的受社会排斥者。Oehrn等(2022)则利用囚徒困境博弈来探讨taVNS对19位癫痫长期无发作患者合作行为的影响。他们同时评估了诸如性别、年龄等被试特征对刺激效果的影响。此外，他们还将参与者的大五人格特质(神经质、外向性、开放性、宜人性和责任心)纳入分析。结果如下：1) 相较于伪刺激，taVNS增强了合作行为；2) 性别影响合作行为和刺激效果，即女性比男性更有可能选择合作；3) taVNS对合作的影响与特定人格特质产生交互作用，具体来说，刺激效果随着参与者神经质水平的提高而减小。由于癫痫患者存在脑功能缺陷，taVNS或许只能改善而不能增强脑功能，因而这样的结果可能并不适用于健康人。但若综合上述两项研究结果而轻率得出taVNS对健康人亲社会行为没有作用的结论则是不严谨的。未来研究需要考虑亲社会行为的其他指标、健康参与者的个人特点并变化tVNS的刺激参数来考察tVNS对健康人亲社会行为的影响。

4. 未来研究方向

4.1. 丰富刺激参数设置

目前，虽然有关tVNS刺激参数设置的研究还有所欠缺，但已经出现一些可喜的变化：1) 刺激位置。采用fMRI比较tVNS刺激内耳屏、耳道下后壁、耳甲艇和耳垂四个位置的影响后发现，刺激耳甲艇能最大限度激活迷走神经通路(Yakunina et al., 2017)。更进一步地，Borges等(2021)考察了tVNS两个刺激位置(耳屏和耳甲艇)的生理心理效果，Altınkaya等(2022)还考察了tVNS四个不同刺激位置(耳甲艇、耳屏、耳垂以及耳屏 + 耳甲艇)对饥饿和饱腹状态的影响。2) 刺激频率。采用脑磁图(magnetoencephalography, MEG)测量大脑对tVNS的反应发现，不同的刺激频率可能导致大脑反应的差异，大脑也会根据刺激频率在不同的解剖区域作出反应(Keatch et al., 2022)。此外，Sclocco等(2020)表明100 Hz相较于其他低刺激频率能诱发最强的脑干反应。3) 刺激强度。Tona等(2020)考察了tVNS两种刺激强度(0.5 mA和1.0 mA)对任务转换的影响。当然，还有一些研究考虑到了tVNS其他刺激参数设置，如刺激侧(左耳或右耳)、脉冲宽度、刺激时长、刺激连续性、伪刺激位置等。由于刺激参数会影响认知增强效果(Ridgewell et al., 2021)，但鉴于现有研究还只是处于初步探索阶段，依然有很多未知问题需要解答。未来研究应在精细化tVNS刺激参数基础上结合电生理和脑功能成像技术来探讨如何使tVNS效用得以最大化。

4.2. 选取恰当测量指标

正如前所述，tVNS作为一种神经调控技术可能主要通过调节NE、γ-GABA等神经递质的浓度来影响认知。但是，生理过程与心理过程并非一一对应的关系，因而必须选取恰当的测量指标来评估生理心理的相关变化。近来，作为LC-NE网络活动生物标记物——瞳孔直径(pupil dilation, PD)受到广泛关注。虽然几项研究(Borges et al., 2021; Burger et al., 2020; Keute, Demirezen et al., 2019; Warren et al., 2019; Zhu et al., 2022)并没有发现taVNS显著增大PD。但Sharon等(2020)表明taVNS诱发了健康参与者的PD增大。经过系统比较taVNS不同刺激强度并同时评估照明条件对PD的影响后发现，相较于基线和2 mA控制条件，2 mA taVNS导致显著更大的PD (Capone et al., 2021)。此外，taVNS可依据刺激前PD调节目标相关PD (Villani et al., 2022)。

4.3. 考量个体差异变量

大多数认知增强研究假设人们或多或少可以通过相同的认知增强干预手段获得相同程度的收益，但这种假设并非总是合理的(Colzato, 2018)。由于每个人的先天遗传基础存在差异且在发育过程中受到不同环境的影响，因而每个个体所能达到的最大潜能不可能是完全一致的。正因如此，认知增强干预技术对认知的影响可能遵循非线性原则(the principle of nonlinearity; Colzato et al., 2021)。例如，相同刺激强度的tVNS，对于甲来说恰好能够使其达到最佳表现，但对于乙来说可能不足以使其达到最佳表现甚至有可能损害其认知表现。为了使tVNS能够有效增强个体的认知，必须将个体差异变量(如年龄、性别、受教育程度等)纳入到tVNS增强认知的研究设计之中，从而使未来商业化的tVNS设备为用户提供更加个性化且高效精准的服务体验。这对于其他认知增强技术手段来说同样如此。

4.4. 联合其他认知增强技术

根据神经竞争原则(the principle of neural competition)，目标认知功能的提高有可能导致其他认知功能的削弱(Colzato et al., 2021)。因此，可以这样认为，任何单一的认知增强技术都不足以使认知的所有方面都得到增强，即使是针对认知的某一领域，单一的认知增强方法和技术可能也达不到个体最佳效果。譬如有研究者(Rufener et al., 2018)比较了taVNS和经颅随机噪声刺激(transcranial random noise stimulation, tRNS)对听觉选择性注意的影响。他们发现，相较于伪刺激，taVNS增大了P3振幅，而tRNS减少了对目标刺激的反应时，且两种技术都减少了P3潜伏期。再如，一项元分析研究(Ridgewell et al., 2021)表明，相较于其他认知功能，taVNS对执行功能有显著的增强效果。未来应将tVNS与其他认知增强手段(如认知训练、NIBS技术、生物反馈训练、营养补充剂等)相结合以探讨其对认知提升的作用。例如，Wang等(2022)联合抑制控制训练(inhibitory control training, ICT)和tVNS检验其对抑制控制的增强效果。他们将58名年轻男性大学生随机分成四组：ICT + tVNS，ICT + 伪tVNS，伪ICT + tVNS，伪ICT + 伪tVNS。参与者按顺序完成训练前、训练和训练后测验。结果表明，相较于其他组，ICT + tVNS显著提高了参与者在停止–信号任务和go/no-go任务上的训练和近迁移效果；但四个组均没有在Stroop任务上表现出远迁移效果。

文章引用

徐 胜,刘东奇. 变得更聪明：经皮迷走神经刺激术增强认知吗？
To Become Smarter: Does Transcutaneous Vagus Nerve Stimulation Enhance Cognition?[J]. 心理学进展, 2023, 13(01): 177-187. https://doi.org/10.12677/AP.2023.131023

参考文献