非侵入性腦刺激（Noninvasive brain stimulation，NIBS）技術(shù)，如經(jīng)顱磁刺激或經(jīng)顱直流和交流電刺激，被提倡作為認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)中因果推理的措施。超越了相關(guān)性神經(jīng)影像學(xué)測(cè)量和實(shí)驗(yàn)性感官刺激的局限性，它們?cè)试S通過實(shí)驗(yàn)操縱大腦活動(dòng)并研究其對(duì)感知、認(rèn)知和最終行為的影響。雖然這在原則上是正確的，但在以因果關(guān)系解釋腦刺激實(shí)驗(yàn)時(shí)，建議特別小心。研究假設(shè)往往過于簡(jiǎn)單化，忽略了潛在的（隱含假設(shè)的）復(fù)雜的因果關(guān)系鏈，即刺激技術(shù)必須在腦組織中產(chǎn)生電場(chǎng)，然后喚起或調(diào)節(jié)目標(biāo)區(qū)域和網(wǎng)絡(luò)連接的遠(yuǎn)端區(qū)域的神經(jīng)元活動(dòng)，從而影響感興趣的認(rèn)知功能并最終導(dǎo)致行為測(cè)量的改變。重要的是，這個(gè)因果效應(yīng)鏈中的每個(gè)環(huán)節(jié)都可能被幾個(gè)因素所混淆，這些因素必須通過實(shí)驗(yàn)消除或控制，才能將觀察到的結(jié)果歸因于其假設(shè)的原因。由于許多中介和混雜變量不能直接觀察到，并且劑量-反應(yīng)關(guān)系通常是非線性的，因此情況變得復(fù)雜。我們將引導(dǎo)讀者了解通用認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)NIBS研究的因果關(guān)系鏈，討論可能的混淆，并建議適當(dāng)?shù)目刂茥l件。如果關(guān)鍵假設(shè)被明確測(cè)試（在可能的情況下）并且在實(shí)驗(yàn)上得到很好的控制，NIBS確實(shí)可以在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究中揭示因果關(guān)系。本文發(fā)表在Journal of Cognitive Neuroscience雜志。
1. 引言
非侵入性腦刺激（Noninvasive brain stimulation，NIBS）技術(shù)，如TMS或經(jīng)顱直流和交流電刺激（TDCS/TACS），允許以時(shí)間和空間特異性的方式實(shí)驗(yàn)性操縱健康人腦中的神經(jīng)元活動(dòng)，從而克服電生理和神經(jīng)成像技術(shù)中僅有的相關(guān)性研究。它們繞過感覺輸入通道并直接影響大腦活動(dòng)的能力使其成為研究神經(jīng)元活動(dòng)和認(rèn)知功能之間因果關(guān)系的無與倫比的工具。在發(fā)明后不久，TMS已經(jīng)被證明能夠抑制視覺感知，到目前為止，TMS的“破壞性”或“干擾”效應(yīng)在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)中有著悠久的傳統(tǒng)，這遵循所謂的虛擬病變（virtual lesion）方法。后來，TDCS和TACS被發(fā)現(xiàn)是神經(jīng)元活動(dòng)亞閾值調(diào)節(jié)的方法，從而調(diào)節(jié)認(rèn)知功能。盡管使用這些NIBS技術(shù)的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究經(jīng)常聲稱要測(cè)試特定大腦區(qū)域或神經(jīng)元活動(dòng)模式對(duì)特定認(rèn)知功能或行為的“因果相關(guān)性”，但潛在的因果關(guān)系很少明確。然而，為了證明這種因果推論的合理性，理論上假設(shè)的因果鏈，即從施加的刺激到觀察到的行為變化，必須形成一個(gè)具體的實(shí)證實(shí)驗(yàn)。至關(guān)重要的是，這個(gè)因果鏈中的每個(gè)因果環(huán)節(jié)都可能被幾個(gè)因素打斷或混淆，最好通過實(shí)驗(yàn)消除或控制這些因素，以將觀察到的結(jié)果歸因于其假設(shè)的原因。我們將首先簡(jiǎn)要概述本文的核心要素：認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)NIBS研究及其主要混雜因素的簡(jiǎn)化五步因果鏈。然后，我們將介紹使用NIBS的一般實(shí)驗(yàn)方法，并討論認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)中實(shí)驗(yàn)性NIBS研究案例的因果推理概念，然后逐步引導(dǎo)讀者了解因果關(guān)系的五步鏈。之后，我們將更詳細(xì)地討論潛在的混雜因素，并回顧可用的實(shí)驗(yàn)對(duì)照條件以抵消它們，最后我們?yōu)樵O(shè)計(jì)有效的NIBS研究提供12個(gè)一般建議。
請(qǐng)注意，在本文中，因果推理僅意味著“推斷因果關(guān)系”或“推斷一個(gè)變量是另一個(gè)變量的原因”，這種推斷可以基于對(duì)照隨機(jī)實(shí)驗(yàn)，或者在某些情況下，僅基于觀察數(shù)據(jù)。對(duì)后者研究的更一般介紹超出了本文的范圍。雖然采用了這個(gè)特定的因果推理框架的元素，但本文仍然主要集中在經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)主義者通過實(shí)驗(yàn)操作推斷因果關(guān)系的框架上。我們的主要目的是提高對(duì)NIBS研究中潛在的（通常是隱含的假設(shè)）因果鏈，它們的潛在混淆以及各自的實(shí)驗(yàn)控制措施的認(rèn)識(shí)，鼓勵(lì)進(jìn)行精心策劃和控制良好的NIBS實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)實(shí)際上證明了因果推斷的合理性，即神經(jīng)活動(dòng)與認(rèn)知功能之間因果關(guān)系的結(jié)論。
1.1 NIBS研究中的因果關(guān)系鏈
因果鏈（chain of causation）是指成對(duì)因果的不間斷串聯(lián)，通過許多中介變量從最初的感興趣原因到最終的興趣結(jié)果。鑒于大多數(shù)效應(yīng)有許多原因，并且它們本身也會(huì)導(dǎo)致許多結(jié)果，因此這樣的鏈僅代表整個(gè)因果圖中的一個(gè)特定路徑。因果圖可以形式化為用指示因果關(guān)系的箭頭連接的變量（A ? B），而不僅僅是關(guān)聯(lián)性（A，B），左右變量代表特定因果對(duì)的因果關(guān)系。重要的是，沒有最終的因果關(guān)系，要考慮的部分鏈完全取決于手頭的研究問題。一旦假設(shè)定義了感興趣的因果關(guān)系，連接它們的因果路徑中的任何中間元素都被稱為“中介（mediator）”。相反，與感興趣原因（cause）相關(guān)的元素（即，引起它或僅僅與它共存但不是由它引起的）和影響感興趣結(jié)果（effect）的因素被認(rèn)為是混雜因素，因?yàn)樗鼈儗?duì)感興趣結(jié)果的影響與感興趣原因的影響混合在一起，阻止了因果影響直接歸因于后者，從而無法通過因果圖確定明確的因果路徑。
NIBS研究中經(jīng)常表達(dá)假設(shè)的水平如圖1A所示。預(yù)計(jì)刺激會(huì)影響單個(gè)受限制的大腦區(qū)域，該區(qū)域?qū)π袨橛杏绊懀驗(yàn)榇竽X區(qū)域與產(chǎn)生該行為有因果關(guān)系。在圖 1B 中，我們提供了一個(gè)更詳細(xì)的因果圖，但為了便于理解，它仍然被簡(jiǎn)化和減少為關(guān)鍵變量（其中一些總結(jié)了多個(gè)較小的變量）。由紅色箭頭連接的紅色元素表示從NIBS的應(yīng)用到可觀察到的行為效應(yīng)的核心因果鏈。黃色框和箭頭表示任務(wù)需求和當(dāng)前大腦狀態(tài)驅(qū)動(dòng)局部活動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)的因果途徑，從而驅(qū)動(dòng)各自的認(rèn)知功能和行為反應(yīng)。這種因果路徑不僅是混淆的來源，而且在沒有NIBS和感興趣的認(rèn)知功能的主要驅(qū)動(dòng)力的情況下與任務(wù)表現(xiàn)有關(guān)。事實(shí)上，NIBS誘導(dǎo)的大腦活動(dòng)本身不足以引起更復(fù)雜的認(rèn)知功能，只能調(diào)節(jié)正在進(jìn)行的與任務(wù)相關(guān)的神經(jīng)元活動(dòng)。黑色箭頭表示最終影響主要因果關(guān)系鏈元素的其他因果關(guān)系，因此可能通過中央（藍(lán)框）和外圍（綠色框）非靶（off-target）刺激產(chǎn)生混淆。我們將從NIBS應(yīng)用到行為的核心因果鏈分為五個(gè)因果對(duì)，如下所述：
箭頭1：NIBS的應(yīng)用通過經(jīng)顱電-磁-電感應(yīng)（TMS）或直接施用弱經(jīng)顱電流（經(jīng)顱電刺激[transcranial current stimulation，TCS]）在腦組織中產(chǎn)生電場(chǎng)。
箭頭2：然后電場(chǎng)與神經(jīng)元的膜電位相互作用，立即（在線）喚起神經(jīng)元放電（TMS）或調(diào)節(jié)目標(biāo)大腦區(qū)域局部自發(fā)放電（TCS）的閾值，激活特定的皮層內(nèi)回路模式（motifs）和相關(guān)神經(jīng)元特征。在離線TMS/TCS協(xié)議的情況下，它另外觸發(fā)突觸可塑性的過程。
箭頭3：如果將目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的輸出神經(jīng)元驅(qū)動(dòng)到超閾值水平，則局部神經(jīng)元活動(dòng)通過皮層間軸突投影跨突觸擴(kuò)散到目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的其他連接大腦區(qū)域，激活大規(guī)模和遠(yuǎn)程回路motifs以及突觸強(qiáng)度的遠(yuǎn)程變化。
箭頭4：對(duì)局部和大規(guī)?；芈?/span>motifs的直接（在線）或隨后（離線）影響可以干擾或促進(jìn)介導(dǎo)感興趣的認(rèn)知功能的特定任務(wù)相關(guān)神經(jīng)元計(jì)算，這反映在結(jié)果的各自變化或這些過程的完成時(shí)間。
箭頭5：關(guān)于在特定行為任務(wù)的背景下施加的運(yùn)動(dòng)反應(yīng)，這些改變的認(rèn)知過程最終導(dǎo)致錯(cuò)誤率或RTs的變化。
2. 認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)中NIBS的一般方法
盡管NIBS經(jīng)常被描述為一種手段，通過它可以簡(jiǎn)單地“關(guān)閉”或“敲除”整個(gè)大腦區(qū)域或逼真地模仿內(nèi)源性振蕩活動(dòng)，但現(xiàn)實(shí)情況更為復(fù)雜，在選擇特定技術(shù)來操縱特定研究中的神經(jīng)元活動(dòng)之前，需要考慮特定技術(shù)的作用機(jī)制和適用性。雖然TMS和TCS通常被混為一談，稱為“NIBS”，但它依賴于不同的神經(jīng)生理學(xué)作用原理。由TMS引起的快速變化，高振幅的電場(chǎng)梯度（<300μs）足以使皮質(zhì)神經(jīng)元的膜電位完全去極化，導(dǎo)致動(dòng)作電位（action potentials，AP；超閾值刺激）的立即出現(xiàn)。相比之下，由TCS引起的弱得多的恒定或交替電場(chǎng)被認(rèn)為只是將神經(jīng)元的膜電位稍微向去極化或超極化移動(dòng)，從而調(diào)節(jié)AP自發(fā)出現(xiàn)的可能性（亞閾值刺激）。這種根本差異對(duì)分別適用于TMS和TCS的實(shí)驗(yàn)方法具有重要影響。經(jīng)顱超聲刺激是另一種有前途的NIBS神經(jīng)調(diào)節(jié)技術(shù)，由于其能夠刺激大腦深處非常有限的體積，同時(shí)保留覆蓋的組織，因此最近受到越來越多的關(guān)注，并且可以預(yù)期在不久的將來修改NIBS工具箱用于人類應(yīng)用。經(jīng)顱超聲刺激不是基于電場(chǎng)的感應(yīng)，而是可能涉及聚焦聲壓波對(duì)神經(jīng)元膜和/或離子通道的機(jī)制影響，本文范圍內(nèi)不討論。
2.1 使用NIBS的實(shí)驗(yàn)方法
根據(jù)它們特定的刺激參數(shù)，TMS和TCS不僅能夠在刺激期間發(fā)揮即時(shí)（在線）效果，而且能夠在刺激本身持續(xù)數(shù)分鐘至數(shù)小時(shí)后發(fā)揮后續(xù)（離線）效應(yīng)（圖2）。評(píng)估對(duì)刺激的即時(shí)神經(jīng)反應(yīng)的在線方法可用于：（i）量化皮質(zhì)興奮性或連通性等特性及其大腦狀態(tài)調(diào)制情況（包括任務(wù)參與度；圖2A），（ii）干擾正在進(jìn)行的任務(wù)相關(guān)或自發(fā)神經(jīng)元活動(dòng)，從而干擾認(rèn)知（圖2B），（iii）更溫和地調(diào)節(jié)神經(jīng)元活動(dòng)的水平（“門控gating”）和時(shí)間（“夾帶entrainment”）從而調(diào)節(jié)認(rèn)知功能（圖2C）。相比之下，離線方法可通過突觸可塑性機(jī)制用于（iv）抑制或（v）促進(jìn)神經(jīng)元興奮性，評(píng)估其對(duì)神經(jīng)元活動(dòng)和認(rèn)知的后續(xù)影響（圖2D和E）。雖然依賴于不同的神經(jīng)生理機(jī)制，但在線干擾和離線抑制方法都被稱為“虛擬病變”，并且最常用于認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)中，以測(cè)試皮質(zhì)區(qū)域是否以及何時(shí)與認(rèn)知功能“因果相關(guān)”。在線調(diào)制還允許研究哪些神經(jīng)元模式（例如振蕩頻率）正在介導(dǎo)或支持特定的認(rèn)知功能。雖然TMS適用于所有這些方法，但弱得多的TCS不能用于定量（因?yàn)樗粫?huì)觸發(fā)AP），也幾乎不能用于干擾。相比之下，它最適合在不中斷的情況下進(jìn)行調(diào)制，并且可以產(chǎn)生持久的離線效果。我們將看到皮質(zhì)興奮性的凈增加和減少（在線和離線）。
（A）在線定量：一種足夠強(qiáng)的刺激，可以直接輸出目標(biāo)區(qū)域/網(wǎng)絡(luò)（使用TMS，而不是TCS），允許通過運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位或磷蝶報(bào)告（phosphene reports）來量化皮質(zhì)興奮性。
（B）在線干擾：干擾正在進(jìn)行的與任務(wù)相關(guān)或自發(fā)的大腦活動(dòng)（使用TMS，而不是TCS）。
（C）在線調(diào)節(jié)：對(duì)神經(jīng)元活動(dòng)的水平（通過低強(qiáng)度TMS或TDCS“門控”）或時(shí)間（通過TACS或節(jié)律性TMS的“夾帶”）進(jìn)行適度調(diào)制，與正在進(jìn)行的任務(wù)相關(guān)或自發(fā)神經(jīng)元活動(dòng)相互作用而不會(huì)中斷它。
（D）離線促進(jìn)：皮質(zhì)興奮性的增加（由重復(fù)的TMS [repetitive TMS，rTMS] 或延長(zhǎng)的TCS觸發(fā)），可能是通過被刺激突觸的長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)介導(dǎo)的。
（E）離線抑制：皮質(zhì)興奮性降低（由rTMS或延長(zhǎng)的TCS觸發(fā)），可能是通過受刺激突觸的LTD介導(dǎo)的。
3.認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的因果推斷：神經(jīng)影像學(xué) VS NIBS
因果推理是指在假設(shè)的“因”發(fā)生變化后，根據(jù)觀察到的效應(yīng)變化來推斷因果關(guān)系的過程。與通過條件概率 P(effect|cause) 推斷兩個(gè)變量的單純關(guān)聯(lián)相反，因果推理為它們的關(guān)系分配了一個(gè)方向，假設(shè)對(duì)“因”的積極操縱，而其他一切都保持不變，產(chǎn)生結(jié)果，但反之則不然。在NIBS的背景下，一個(gè)簡(jiǎn)單的例子是，初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層（M1）手部區(qū)域的TMS（具有足夠的強(qiáng)度）導(dǎo)致對(duì)側(cè)手指約20毫秒后運(yùn)動(dòng)或至少增加其運(yùn)動(dòng)可能性，但自發(fā)的手指運(yùn)動(dòng)不會(huì)影響TMS發(fā)生的可能性。事實(shí)上，這種不對(duì)稱性適用于因果鏈中介導(dǎo)從TMS脈沖到手指運(yùn)動(dòng)的每個(gè)因果對(duì)（即，TMS脈沖?電場(chǎng)? M1 Layer 2/3或前運(yùn)動(dòng)皮層中皮質(zhì)神經(jīng)元的APs?脊髓神經(jīng)元中的APs?肌肉APs?肌肉收縮?手指運(yùn)動(dòng)）。對(duì)于認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究中的行為任務(wù)表現(xiàn)，因果鏈通常更為復(fù)雜，對(duì)于圖1B中的因果圖，為了簡(jiǎn)化起見，許多單個(gè)步驟已合并為幾個(gè)類別。
3.1 使用無創(chuàng)神經(jīng)影像學(xué)繪制相關(guān)關(guān)系
在神經(jīng)影像學(xué)研究中，感興趣的認(rèn)知功能在實(shí)驗(yàn)上被隔離為各個(gè)任務(wù)條件之間的唯一差異，而相關(guān)的神經(jīng)活動(dòng)被評(píng)估并在條件之間進(jìn)行比較。盡管如此，認(rèn)知功能和大腦活動(dòng)之間的因果方向并不容易從這些實(shí)驗(yàn)中得出。在試圖避免對(duì)身心問題采取任何特定的哲學(xué)立場(chǎng)時(shí)，為了便于論證，我們將在這里假設(shè)認(rèn)知功能因果關(guān)系取決于特定的神經(jīng)元基質(zhì)（即結(jié)構(gòu)）和它產(chǎn)生的神經(jīng)元活動(dòng)的時(shí)間空間模式。這不應(yīng)被誤解為對(duì)心理因果關(guān)系的二元論觀點(diǎn)，因?yàn)?/span>“認(rèn)知功能”不是指有意識(shí)的、現(xiàn)象性的經(jīng)驗(yàn)或精神狀態(tài)，而是實(shí)用地指信息處理的機(jī)制和最終產(chǎn)生某種行為的計(jì)算。從這個(gè)角度來看，認(rèn)知神經(jīng)影像學(xué)實(shí)驗(yàn)使參與者參與一項(xiàng)任務(wù)，該任務(wù)需要招募某些神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和機(jī)制來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的目標(biāo)認(rèn)知功能，同時(shí)測(cè)量大腦活動(dòng)作為任務(wù)條件的函數(shù)。然而，由于并非所有相關(guān)的大腦活動(dòng)都可能因果關(guān)系地促進(jìn)任務(wù)所從事的認(rèn)知功能，因此測(cè)量的神經(jīng)元活動(dòng)不能明確地作為其原因，而僅僅是其神經(jīng)元相關(guān)。
3.2 使用NIBS繪制因果關(guān)系圖
當(dāng)使用NIBS操縱大腦活動(dòng)而不是僅僅通過神經(jīng)成像觀察大腦活動(dòng)時(shí)，可以解決因果方向的這種模糊性，同時(shí)測(cè)量行為任務(wù)表現(xiàn)作為認(rèn)知功能完整性的代表。因此，與NIBS相關(guān)的行為變化主要可以解釋為實(shí)驗(yàn)誘導(dǎo)的大腦活動(dòng)變化的因果效應(yīng)。當(dāng)單獨(dú)的NIBS足以產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)行為或感知現(xiàn)象時(shí)，例如分別由初級(jí)運(yùn)動(dòng)和視覺皮層TMS后的運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位（motor-evoked potentials，MEP）或光幻覺（對(duì)光的虛幻感知）量化肌肉反應(yīng)。對(duì)于這些病例，可以采用在線定量方法（圖2A）來證明各自大腦結(jié)構(gòu)中的神經(jīng)元活動(dòng)（例如，TMS誘導(dǎo)的M1中皮質(zhì)脊髓運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的放電）與行為結(jié)果（例如，對(duì)側(cè)手部肌肉的收縮）之間的明確因果關(guān)系，甚至可以確定劑量-反應(yīng)關(guān)系（例如，與TMS強(qiáng)度增加和MEP振幅增加相關(guān)的sigmoidal形函數(shù)）。然而，對(duì)于人類的NIBS，大多數(shù)其他大腦靶點(diǎn)不會(huì)導(dǎo)致明顯的輸出。相反，需要行為任務(wù)來參與感興趣的認(rèn)知功能及其神經(jīng)元相關(guān)性，同時(shí)在任務(wù)前（離線；圖2D和E）或任務(wù)期間（在線；圖2B和C）使用NIBS，揭示其對(duì)這種認(rèn)知功能的因果貢獻(xiàn)。這讓我們回到了本文的核心：認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)中NIBS研究默認(rèn)的因果鏈及其許多可能的混雜因素使NIBS結(jié)果的因果解釋復(fù)雜化（圖1B）。在接下來的部分中，我們將逐步引導(dǎo)讀者了解因果路徑，并討論每個(gè)步驟，在哪些條件下可以假設(shè)因果關(guān)系。之后，我們將描述這些因果關(guān)系如何被變量混淆。只有在建立不間斷的因果鏈而不混淆各個(gè)環(huán)節(jié)的原因時(shí)，才能得出“X區(qū)域的神經(jīng)元活動(dòng)導(dǎo)致行為Y”的結(jié)論。
4. 從 NIBS 應(yīng)用到電場(chǎng)（箭頭 1）
第一個(gè)成對(duì)因果（箭頭1）通常被隱含地假設(shè)，無需進(jìn)一步討論，即：應(yīng)用的NIBS技術(shù)在目標(biāo)大腦區(qū)域產(chǎn)生所需強(qiáng)度，范圍和方向的電場(chǎng)，而不會(huì)影響非目標(biāo)大腦區(qū)域，也不會(huì)無意中影響與刺激相關(guān)的其他因素。這第一個(gè)關(guān)鍵步驟遠(yuǎn)非微不足道，由于許多原因，僅僅在假定的目標(biāo)區(qū)域上放置TMS線圈或連接TCS電極是不夠的。
4.1 確定靶點(diǎn)
在我們嘗試刺激感興趣的特定目標(biāo)位點(diǎn)之前，我們需要確定它的位置。根據(jù)NIBS方法的空間特異性，這些目標(biāo)很容易被低估或過度指定。對(duì)于TMS，有效電流密度被限制在小于一立方厘米，并且諸如“后頂葉皮層”或“背外側(cè)pFC”之類的靶點(diǎn)非常不特異，因?yàn)椋?/span>i）大多數(shù)大腦區(qū)域的功能組織在地形上更細(xì)粒度，（ii）只有一部分解剖結(jié)構(gòu)會(huì)受到有效刺激。相比之下，對(duì)于TCS，即使是整個(gè)大腦區(qū)域也很難被孤立地刺激。無論NIBS技術(shù)的空間特異性如何，目標(biāo)部位都可以主要根據(jù)：（i）其功能，（ii）其神經(jīng)解剖位置，或（iii）甚至其相對(duì)于顱骨的位置來確定。功能性TMS定位器可分別基于MEP和光幻確定運(yùn)動(dòng)或phosphene熱點(diǎn)。這種方法具有高度特異性，因?yàn)樗试S根據(jù)輸出變量的即時(shí)反饋微調(diào)線圈定位，確保有效地刺激預(yù)期的神經(jīng)元群。但是，這種方法僅適用于極少數(shù)靶點(diǎn)（即運(yùn)動(dòng)和視覺皮層）。第二好的選擇是通過fMRI定位器，例如，從隱蔽的空間注意力任務(wù)中確定FEF。雖然不提供線圈方向的信息，但可以根據(jù)單個(gè)被試統(tǒng)計(jì)圖確定目標(biāo)體素。對(duì)于與可識(shí)別的解剖位置緊密相關(guān)的功能，可以使用單被試的結(jié)構(gòu)MRI掃描來識(shí)別靶點(diǎn)坐標(biāo)，但允許該區(qū)域內(nèi)相當(dāng)大的不確定性。當(dāng)忽略結(jié)構(gòu)——功能關(guān)系中的個(gè)體間變異性時(shí)，可以在單被試結(jié)構(gòu)MRI的幫助下將它們轉(zhuǎn)換為原始空間后使用文獻(xiàn)中的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)。當(dāng)完全忽略單被試大腦解剖結(jié)構(gòu)時(shí)，10-20 EEG電極系統(tǒng)可用于粗略估計(jì)特定大腦區(qū)域的位置（例如，左背外側(cè)pFC的F3或右后頂葉皮層的P4）。系統(tǒng)比較表明，隨著上述方法的個(gè)體化減少，觀察顯著效果所需的參與者數(shù)量急劇增加。重要的是，除了TMS定位器和10-20系統(tǒng)之外，所有方法都需要MR引導(dǎo)的立體定向神經(jīng)導(dǎo)航設(shè)置，從而將TMS線圈定位在目標(biāo)部位上，這被認(rèn)為是在實(shí)驗(yàn)療程內(nèi)和跨實(shí)驗(yàn)療程中保持線圈位置的最新技術(shù)。
5.從電場(chǎng)到局部神經(jīng)元效應(yīng)（箭頭2）
第二個(gè)因果對(duì)（箭頭2）是指電場(chǎng)對(duì)局部神經(jīng)元活動(dòng)的影響。為了簡(jiǎn)單起見，為了防止圖1B中的因果圖過載，這里的局部神經(jīng)元活動(dòng)也指繼發(fā)于初始神經(jīng)元反應(yīng)的效應(yīng)，例如局部回路motifs的激活，神經(jīng)元興奮性的變化，局部神經(jīng)元振蕩的夾帶和局部突觸可塑性。因此，關(guān)鍵問題不僅在于應(yīng)用的電場(chǎng)是否直接激發(fā)目標(biāo)大腦區(qū)域中的局部神經(jīng)元元件，還在于它是否產(chǎn)生了所選實(shí)驗(yàn)方法所需的特定神經(jīng)元效應(yīng)（圖2）。盡管對(duì)TMS和TCS的神經(jīng)元效應(yīng)有一些主要的了解，但將非侵入性電生理和神經(jīng)成像技術(shù)與NIBS相結(jié)合可以幫助驗(yàn)證特定實(shí)驗(yàn)是否成功誘導(dǎo)了所需的神經(jīng)元效應(yīng)。
5.1 誘導(dǎo)局部神經(jīng)元活動(dòng)的即時(shí)（在線）效應(yīng)
膜極化可能是TMS和TDC的主要作用機(jī)制，盡管已經(jīng)討論了其他機(jī)制。對(duì)于TMS，電場(chǎng)動(dòng)力學(xué)足夠快和強(qiáng)，可以將神經(jīng)元膜去極化到超閾值水平，大概是在軸突或軸突末端的水，達(dá)到AP出現(xiàn)并沿膜擴(kuò)散的程度。然后，這些AP通過谷氨酸和GABA-A/GABA-B受體通過跨突觸影響連接的神經(jīng)元，引起興奮性和抑制性突觸后電位，具體取決于最初的去極化神經(jīng)元類型。突觸后電位的空間和時(shí)間整合會(huì)導(dǎo)致興奮性和抑制性突觸后神經(jīng)元放電。盡管已經(jīng)使用初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層的配對(duì)脈沖協(xié)議對(duì) TMS 做出反應(yīng)的皮質(zhì)內(nèi)回路進(jìn)行了非常詳細(xì)的研究，并且在嚙齒動(dòng)物或非人類靈長(zhǎng)類動(dòng)物的工作中產(chǎn)生了一些見解，但在大多數(shù)人類皮質(zhì)區(qū)域中激活的特定回路motifs只能推測(cè)。無論如何，TMS喚起整個(gè)皮層內(nèi)回路的高度同步的神經(jīng)元反應(yīng)，不僅因?yàn)殡妶?chǎng)最初使大量不同的神經(jīng)元去極化，還因?yàn)榧せ钤谒鼈冎g擴(kuò)散。因此，TMS后神經(jīng)元群或大腦區(qū)域內(nèi)將同時(shí)存在興奮和抑制，并且對(duì)其興奮性或信息處理能力的凈影響是復(fù)雜的（如箭頭4所討論的那樣）。
對(duì)于TCS，電場(chǎng)要弱得多，并且假設(shè)只是將膜電位略微向去極化或超極化移動(dòng)，從而在亞閾值尺度上改變神經(jīng)元興奮性，要么是持續(xù)（TDCS），要么是有節(jié)奏的（TACS）。人類標(biāo)準(zhǔn)刺激強(qiáng)度（1-2 mA）誘導(dǎo)的電場(chǎng)遠(yuǎn)低于小鼠或猴子，因此TCS在人類中的有效性備受爭(zhēng)議，盡管TCS誘導(dǎo)的電場(chǎng)小至0.2-1 V / m已被證明可有效引起自發(fā)神經(jīng)元放電率的微小變化。雖然很小，但TCS誘導(dǎo)的電場(chǎng)很寬，并且其影響可能會(huì)在大型神經(jīng)元群中累積。同樣，整個(gè)回路將直接受到電場(chǎng)的刺激和通過突觸連接的間接刺激，但與TMS相比，反應(yīng)將不太同步，并且更強(qiáng)烈地依賴于持續(xù)的大腦活動(dòng)。重要的是，電場(chǎng)在細(xì)胞水平上對(duì)不同神經(jīng)元結(jié)構(gòu)的影響取決于它們的形狀和它們與大腦的方向，因此非常復(fù)雜，對(duì)給定神經(jīng)元的凈效應(yīng)取決于去極化和超極化的整合。更重要的是，對(duì)整個(gè)大腦區(qū)域的凈效應(yīng)來自單個(gè)神經(jīng)元興奮性變化的整合，突出了TCS極性與目標(biāo)大腦區(qū)域由此產(chǎn)生的凈興奮性變化之間不可能有簡(jiǎn)單的關(guān)系。
5.2 量化興奮性和連通性
通過TMS誘導(dǎo)的MEP或光幻對(duì)運(yùn)動(dòng)或視覺皮質(zhì)興奮性的量化是靶神經(jīng)元超閾值刺激的固有證據(jù)（圖2A）。有許多研究?jī)?yōu)雅地使用MEP或光幻測(cè)量來證明在各種任務(wù)條件下運(yùn)動(dòng)或視覺皮質(zhì)興奮性的調(diào)節(jié)。使用雙線圈TMS，可以以任務(wù)相關(guān)的方式評(píng)估與這些大腦區(qū)域的效應(yīng)性連接。然而，這些研究通常以相關(guān)方式使用NIBS，并且不探討大腦活動(dòng)對(duì)認(rèn)知的因果影響。
5.3 干擾自發(fā)或與任務(wù)相關(guān)的神經(jīng)元活動(dòng)
許多經(jīng)典的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)TMS研究旨在干擾特定大腦區(qū)域的任務(wù)處理（在線）期間的神經(jīng)元活動(dòng)，以證明其與認(rèn)知功能的因果相關(guān)性（圖2B）。然而，我們對(duì)實(shí)現(xiàn)特定計(jì)算的大多數(shù)神經(jīng)元活動(dòng)模式缺乏精確的理解，因此不知道到底要干擾什么。因此，用于干擾的TMS通常使用高強(qiáng)度單脈沖TMS，以良好的時(shí)間分辨率為目標(biāo)，從而產(chǎn)生短的干擾或高頻短TMS bursts（主要是10-20 Hz），覆蓋數(shù)百毫秒，以確保神經(jīng)元處理的足夠長(zhǎng)的中斷。盡管局部回路中TMS誘發(fā)的神經(jīng)元活動(dòng)很復(fù)雜，但可以安全地假設(shè)TMS（i）激發(fā)隨機(jī)神經(jīng)元件（相對(duì)于電場(chǎng)最佳定位的神經(jīng)元件），包括那些未被任務(wù)激活的神經(jīng)元件；（ii）導(dǎo)致隨后抑制神經(jīng)元活動(dòng)，包括在初始激發(fā)后（約50-150毫秒）由任務(wù)激活的神經(jīng)元，可能是因?yàn)?/span>GABA-B受體介導(dǎo)的抑制，與皮質(zhì)沉默期的運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)現(xiàn)象和長(zhǎng)時(shí)程皮質(zhì)內(nèi)抑制平行；（iii）基于在相對(duì)較大的神經(jīng)元群中人工誘發(fā)的時(shí)間鎖定興奮-抑制模式，在目標(biāo)區(qū)域中引起高度同步的神經(jīng)元活動(dòng)。我們將討論這些神經(jīng)元效應(yīng)對(duì)介導(dǎo)箭頭4認(rèn)知的神經(jīng)元計(jì)算的可能影響。盡管刺激強(qiáng)度和頻率可能是確定成功干擾方案的關(guān)鍵參數(shù)，但尚未對(duì)刺激強(qiáng)度、頻率和訓(xùn)練持續(xù)時(shí)間進(jìn)行系統(tǒng)比較，以說明它們對(duì)干擾協(xié)議的主要適用性。
5.4 調(diào)節(jié)（“門控”）神經(jīng)元興奮性
在線TDCS通常被認(rèn)為在任務(wù)期間調(diào)節(jié)某個(gè)大腦區(qū)域的興奮性，其基本原理是促進(jìn)與任務(wù)相關(guān)的神經(jīng)元處理（圖2C）。動(dòng)物工作確實(shí)顯示出自發(fā)神經(jīng)元尖峰的極性依賴性調(diào)節(jié)。然而，鑒于神經(jīng)元興奮性變化的復(fù)雜性，在人類中，陽極和陰極TDCS通常不能等同于初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層（M1）外的興奮性增加和減少。這個(gè)問題對(duì)于經(jīng)顱隨機(jī)噪聲刺激來說得到了一定的解決，該刺激由各種頻率（特別高，>140 Hz）TACS組成。即使對(duì)于固定極性，TCS也無法觀察到簡(jiǎn)單的劑量——反應(yīng)曲線，并且這些非線性效應(yīng)使確定適當(dāng)?shù)拇碳┝孔兊脧?fù)雜。無論這些挑戰(zhàn)如何，一個(gè)值得注意的方法是在學(xué)習(xí)任務(wù)期間誘導(dǎo)興奮性變化，以控制學(xué)習(xí)誘導(dǎo)的突觸可塑性，這可能導(dǎo)致長(zhǎng)期影響，不是由刺激而是與學(xué)習(xí)相關(guān)的可塑性引起的。這種方法通過與任務(wù)相關(guān)的高度特異性回路的激活，有效地提高了TCS的低解剖精度。
5.5 夾帶神經(jīng)元活動(dòng)（和振蕩）
一定頻率的節(jié)律性TMS或TACS用于夾帶神經(jīng)元活動(dòng)，目的是同步和增強(qiáng)內(nèi)源性腦振蕩（圖2C）并測(cè)試它們對(duì)認(rèn)知的因果作用。然而，潛在的神經(jīng)生理學(xué)假設(shè)往往沒有明確說明。EEG /腦磁圖（magnetoencephalography，MEG）中的神經(jīng)元振蕩反映了具有平行定向樹突的大型同步神經(jīng)元群的總電位/場(chǎng)。當(dāng)更多神經(jīng)元的突觸后活動(dòng)變得同步時(shí)，它們的振幅增加，并且節(jié)律性NIBS對(duì)神經(jīng)元振蕩的夾帶通常是指自發(fā)但獨(dú)立振蕩神經(jīng)元的同步。然而，也有可能隨機(jī)神經(jīng)元活動(dòng)被夾帶，而不是已經(jīng)持續(xù)的內(nèi)源性振蕩。夾帶也可能對(duì)TMS和TCS有不同的作用。雖然節(jié)律性（超閾值）TMS可能直接喚起同步激發(fā)和抑制波，但可能會(huì)重置現(xiàn)有的振蕩活動(dòng)，TACS只是前后移動(dòng)膜電位，偏向自發(fā)神經(jīng)元放電。因此，TACS的較弱影響可能需要它更具針對(duì)性，例如，根據(jù)目標(biāo)振蕩的個(gè)體頻率進(jìn)行調(diào)整。不幸的是，由于強(qiáng)烈的NIBS相關(guān)偽跡，目前很難甚至不可能直接證明節(jié)律性NIBS期間神經(jīng)元夾帶。然而，已經(jīng)有一些成功的嘗試使用更間接的神經(jīng)元夾帶測(cè)量。請(qǐng)注意，TACS后振蕩功率的任何持久增加都反映了振蕩產(chǎn)生回路中的突觸后效應(yīng)（離線），而不是夾帶活動(dòng)本身的持續(xù)。
5.6 基于突觸可塑性在局部神經(jīng)元興奮性中誘導(dǎo)后效應(yīng)（離線）
重復(fù)性TMS（Repetitive TMS，rTMS）或延長(zhǎng)的TDCS可以在神經(jīng)元興奮性中產(chǎn)生瞬時(shí)變化，由突觸可塑性介導(dǎo)，并且比刺激方案本身持續(xù)數(shù)分鐘至數(shù)小時(shí)（圖2D和E）。已經(jīng)為M1開發(fā)了幾種NIBS協(xié)議，根據(jù)MEP振幅的索引，皮質(zhì)脊髓興奮性產(chǎn)生雙向變化，主要取決于rTMS的頻率或模式或TDCS的極性。原則上，經(jīng)典的高頻（～5 Hz）與低頻（～1 Hz）rTMS分別導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)（long-term potentiation，LTP）和長(zhǎng)時(shí)程抑制（long-term depression，LTD），促進(jìn)和抑制皮質(zhì)脊髓興奮性，而對(duì)于θ爆發(fā)刺激，TMS訓(xùn)練和暫停（trains and pauses）的特定時(shí)間決定了效果的方向。同樣，經(jīng)典M1的對(duì)側(cè)前額蒙太奇中的TDCS分別產(chǎn)生皮質(zhì)脊髓興奮性的持久增加和減少，這取決于陽極或陰極是否覆蓋M1。刺激強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間是TMS和TCS離線效應(yīng)的關(guān)鍵決定因素。然而，Bonaiuto和Bestmann（2015）強(qiáng)調(diào)“滑動(dòng)尺度原理（sliding-scale rational）”（假設(shè)皮質(zhì)興奮性的大小隨著刺激強(qiáng)度的增加而增加）是不正確的，因?yàn)榧词故?/span>M1也已經(jīng)清楚地證明了非線性。重要的是，這些后效應(yīng)顯示出較大的個(gè)體內(nèi)和個(gè)體間變異性，通常以一定的延遲出現(xiàn)，并在未知的持續(xù)時(shí)間后消失，通常為30-60分鐘）。雖然NIBS的有效性可以通過M1的MEP振幅立即評(píng)估，但其他腦區(qū)的響應(yīng)需要神經(jīng)成像技術(shù)（見下文）。雖然是常見的做法，但我們不能假設(shè)每個(gè)NIBS協(xié)議都可以輕松地從運(yùn)動(dòng)區(qū)域轉(zhuǎn)換為非運(yùn)動(dòng)區(qū)域，并且如果沒有操作檢查，我們只能希望在目標(biāo)區(qū)域發(fā)生所需的興奮性效果。
5.7 用神經(jīng)成像繪制NIBS相關(guān)的神經(jīng)元效應(yīng)
在線和離線NIBS效應(yīng)都可以通過無創(chuàng)神經(jīng)影像學(xué)技術(shù)（例如，fMRI，EEG或MEG）在人類中進(jìn)行評(píng)估。神經(jīng)影像學(xué)對(duì)于提供靶點(diǎn)激活的證據(jù)至關(guān)重要，即驗(yàn)證所應(yīng)用的NIBS協(xié)議已有效誘導(dǎo)目標(biāo)區(qū)域中預(yù)期神經(jīng)元活動(dòng)的假設(shè)。BOLD fMRI的高空間分辨率有助于通過靜息態(tài)或任務(wù)fMRI檢測(cè)自發(fā)或任務(wù)相關(guān)神經(jīng)元活動(dòng)的凈變化，但為了證明夾帶或干擾效應(yīng)，通常需要EEG或MEG的優(yōu)越時(shí)間分辨率。神經(jīng)影像學(xué)還允許篩查非靶腦區(qū)域的意外共激活，否則可能會(huì)導(dǎo)致混淆并阻止結(jié)構(gòu)——功能關(guān)系的明確識(shí)別（參見箭頭3和4）。在沒有行為效應(yīng)的情況下，神經(jīng)元活動(dòng)可能是研究網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)（如補(bǔ)償）的唯一讀數(shù)（參見箭頭3），而在存在行為效應(yīng)的情況下，腦行為相關(guān)性可能進(jìn)一步證實(shí)NIBS誘導(dǎo)的神經(jīng)元和行為效應(yīng)在劑量反應(yīng)關(guān)系方面的因果關(guān)系。
6. 從局部效應(yīng)到網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)（箭頭 3）
第三個(gè)成對(duì)因果（箭頭3）是指NIBS誘導(dǎo)的局部神經(jīng)元活動(dòng)對(duì)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)其他連接節(jié)點(diǎn)的影響。這種激活的擴(kuò)散可能是需要的或被認(rèn)為是潛在的混淆，但無論如何，它都是大腦的固有特征，而不是該方法的缺點(diǎn)。當(dāng)將認(rèn)知功能的變化歸因于NIBS誘導(dǎo)的目標(biāo)大腦區(qū)域的變化時(shí)，始終需要考慮網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)。
6.1 NIBS的遠(yuǎn)程效應(yīng)
跨突觸擴(kuò)散的最直接證據(jù)是M1的TMS后的MEP，它依賴于M1中最初興奮的神經(jīng)元通過皮質(zhì)脊髓輸出神經(jīng)元和脊柱運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元到肌肉的幾個(gè)突觸連接。然而，NIBS-fMRI聯(lián)合研究已經(jīng)證明了皮質(zhì)-皮質(zhì)擴(kuò)散，該研究表明TMS對(duì)各種運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知功能網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的遠(yuǎn)程效應(yīng)。同時(shí)進(jìn)行的 TMS-fMRI 研究將 TMS 應(yīng)用于 M1、FEF 或頂內(nèi)溝，發(fā)現(xiàn)在偏遠(yuǎn)但解剖學(xué)上連接的皮質(zhì)和皮質(zhì)下區(qū)域具有強(qiáng)烈的（劑量和狀態(tài)依賴性）效應(yīng)，即使是亞閾值強(qiáng)度。同樣，同時(shí)和連續(xù)TCS-fMRI研究報(bào)告了廣泛的BOLD效應(yīng)。然而，對(duì)于TCS，直接的非焦點(diǎn)刺激效應(yīng)（即，廣泛的電場(chǎng)對(duì)目標(biāo)區(qū)域外神經(jīng)元活動(dòng)的直接影響）很難與實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)（即，局部電場(chǎng)誘導(dǎo)的神經(jīng)元活動(dòng)變化通過遠(yuǎn)程軸突投影和突觸連接傳播到偏遠(yuǎn)區(qū)域）分開。此外，同時(shí)進(jìn)行的TMS-EEG研究報(bào)告了TMS誘發(fā)的電位在目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中擴(kuò)散，雙線圈TMS研究通常在測(cè)試兩個(gè)大腦區(qū)域之間的效應(yīng)性連接時(shí)使用。神經(jīng)影像學(xué)可用于讀出通過突觸可塑性介導(dǎo)的即時(shí)（在線）效應(yīng)以及隨后（離線）效應(yīng)。然而，對(duì)于遠(yuǎn)程神經(jīng)元活動(dòng)的后效應(yīng)，問題仍然存在，它們是否由靶點(diǎn)的局部突觸可塑性引起，隨后通過功能連接的變化或通過刺激期間活動(dòng)擴(kuò)散誘導(dǎo)的遠(yuǎn)程部位本身的突觸可塑性影響遠(yuǎn)程活動(dòng)。
6.2 對(duì)網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)的影響
在任何情況下，遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)上的在線和離線效果在功能上都是相關(guān)的。例如，在連續(xù)的TMS-fMRI研究中，rTMS誘導(dǎo)的受刺激區(qū)域?qū)h(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)的抑制作用的增加預(yù)測(cè)了語言任務(wù)中個(gè)體TMS誘導(dǎo)的反應(yīng)延遲。因此，抑制刺激效應(yīng)不僅限于刺激區(qū)域，而是可以影響網(wǎng)絡(luò)的大部分，還調(diào)節(jié)其功能相互作用。如果使用單點(diǎn)TMS或TCS，這種遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)仍然隱藏在純粹的行為研究中，并且在得出有關(guān)給定任務(wù)的刺激區(qū)域的因果相關(guān)性的結(jié)論時(shí)通常被忽略。然而，網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)是潛在的混雜因素，特別是當(dāng)依賴可塑性誘導(dǎo)的離線協(xié)議時(shí)，這些協(xié)議使大腦有時(shí)間進(jìn)行適應(yīng)性可塑性，以響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的干預(yù)和快速的短期重組。請(qǐng)注意，在網(wǎng)絡(luò)的不同部分，遠(yuǎn)程效應(yīng)可以是抑制性的，也可以是促進(jìn)性的，或者兩者兼而有之，并且網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)的方向很難先驗(yàn)地預(yù)測(cè)。NIBS誘導(dǎo)的關(guān)鍵目標(biāo)節(jié)點(diǎn)抑制有時(shí)會(huì)降低網(wǎng)絡(luò)中與任務(wù)相關(guān)的活動(dòng)，這反過來又抑制并增加了其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的活動(dòng)，從而補(bǔ)償了中斷并防止了行為影響。這種補(bǔ)償性上調(diào)可能發(fā)生在對(duì)側(cè)同源區(qū)域，同側(cè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以及與其他認(rèn)知功能相關(guān)的鄰近區(qū)域。這種應(yīng)對(duì)局灶性破壞的短期重組強(qiáng)調(diào)了資源靈活再分配的強(qiáng)大潛力。將NIBS與神經(jīng)成像相結(jié)合提供了一種在系統(tǒng)級(jí)別映射本地和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)的方法，并將這些效應(yīng)與行為變化聯(lián)系起來。
7. 從神經(jīng)元（網(wǎng)絡(luò)）活動(dòng)到認(rèn)知效應(yīng)（箭頭4）
第四個(gè)成對(duì)因果（箭頭4）是指從神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)到認(rèn)知效應(yīng)的轉(zhuǎn)變。后者不能直接觀察到，但必須作為一項(xiàng)特定任務(wù)進(jìn)行操作，通過行為表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)估。重要的是，大腦活動(dòng)與認(rèn)知功能沒有一對(duì)一的映射，因?yàn)橥粎^(qū)域可能涉及多種功能，而相同的認(rèn)知功能依賴于多個(gè)區(qū)域的相互作用。此外，NIBS協(xié)議可以影響網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)和認(rèn)知功能之間的相互作用，但很少產(chǎn)生直接的行為輸出。因此，本節(jié)的主要問題是，本地和網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)的期望調(diào)節(jié)是否會(huì)影響它所假設(shè)介導(dǎo)的目標(biāo)認(rèn)知功能。在線和離線NIBS方法都可以促進(jìn)或抑制認(rèn)知功能（圖1B），盡管因果發(fā)現(xiàn)本身（例如，皮質(zhì)區(qū)域X而不是Y與認(rèn)知過程A而不是B有因果關(guān)系）可以獨(dú)立于對(duì)因果關(guān)系的方向，大小或特定功能的估計(jì)，后者對(duì)于理解認(rèn)知功能背后的神經(jīng)元機(jī)制和開發(fā)基于理論的應(yīng)用至關(guān)重要。因此，對(duì)于給定的NIBS協(xié)議，認(rèn)知功能和實(shí)驗(yàn)設(shè)置，先驗(yàn)地預(yù)測(cè)誘導(dǎo)效應(yīng)的方向和大小可以被認(rèn)為是一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)。
7.1 使用NIBS損害與改善認(rèn)知功能
認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)中的許多NIBS研究依賴于“虛擬病變”方法來繪制給定大腦區(qū)域中的神經(jīng)元活動(dòng)與感興趣的認(rèn)知功能之間的因果關(guān)系，假設(shè)通過在線或離線NIBS協(xié)議干擾或抑制與任務(wù)相關(guān)的神經(jīng)元活動(dòng)將導(dǎo)致所研究的認(rèn)知功能的損害。在線干擾方法（圖2B）旨在在任務(wù)執(zhí)行期間用TMS暫時(shí)干擾認(rèn)知功能，而離線抑制方法（圖2E）依賴于任務(wù)期間皮質(zhì)興奮性的降低。在這兩種情況下，預(yù)計(jì)任務(wù)性能都會(huì)下降。然而，術(shù)語“虛擬病變”具有誤導(dǎo)性，因?yàn)?/span>TMS不會(huì)簡(jiǎn)單地關(guān)閉大腦區(qū)域，離線和在線方法依賴于不同的神經(jīng)元機(jī)制（參見箭頭2）。此外，“虛擬病變”只能解釋性能障礙，對(duì)“抑制”方案的反應(yīng)的改進(jìn)通常被稱為“矛盾促進(jìn)（paradoxical facilitation）”。證明大腦區(qū)域或神經(jīng)元活動(dòng)模式與給定認(rèn)知功能的因果相關(guān)性的另一種理由是在任務(wù)執(zhí)行期間促進(jìn)它并顯示對(duì)性能的積極后果。同樣，這通常通過在線調(diào)制（圖2C），通過節(jié)律TMS或TACS夾帶與任務(wù)相關(guān)的振蕩，或在任務(wù)期間通過TDCS增加即時(shí)皮質(zhì)興奮性，或通過離線促進(jìn)（圖2D）進(jìn)行嘗試。NIBS誘導(dǎo)的行為促進(jìn)很誘人，因?yàn)樗鼮橹委煈?yīng)用或神經(jīng)增強(qiáng)開辟了有趣的途徑。重要的是，為特定研究選擇NIBS協(xié)議通常建立在過于簡(jiǎn)化的假設(shè)之上，這部分解釋了許多零發(fā)現(xiàn)和有爭(zhēng)議的結(jié)果。下面，我們將討論將神經(jīng)元轉(zhuǎn)化為認(rèn)知效應(yīng)的可能作用機(jī)制，并重點(diǎn)介紹一些調(diào)節(jié)因素。
7.2 通過在線TMS損害認(rèn)知功能
實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最有效方法可能是通過TMS進(jìn)行在線干擾（圖2B），這可能建立在三種神經(jīng)元效應(yīng)之上（參見箭頭2）。首先，隨機(jī)神經(jīng)元的初始激發(fā)在受刺激回路中引起神經(jīng)元噪聲。噪音彌漫在神經(jīng)系統(tǒng)的所有信息處理層面，從受體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)到行為反應(yīng)。噪聲的人工感應(yīng)可能會(huì)損害或延遲與任務(wù)相關(guān)的神經(jīng)元計(jì)算，因?yàn)樯窠?jīng)活動(dòng)需要采樣更長(zhǎng)時(shí)間以區(qū)分信號(hào)和噪聲。其次，初始興奮不可避免地伴隨著GABA-B-能反饋抑制，在TMS后抑制神經(jīng)元活動(dòng)約50-150毫秒，中斷和延遲神經(jīng)元處理，甚至在關(guān)鍵處理步驟中導(dǎo)致信號(hào)丟失。這種效應(yīng)可能最接近沉默神經(jīng)元活動(dòng)的“虛擬病變”想法。第三，誘發(fā)的激發(fā)-抑制序列人為地同步更大的神經(jīng)元群，從而降低網(wǎng)絡(luò)中可能的神經(jīng)元活動(dòng)模式的數(shù)量。局部神經(jīng)元活動(dòng)中熵的損失降低了同步網(wǎng)絡(luò)的信息表示能力，導(dǎo)致任務(wù)相關(guān)信息的退化和神經(jīng)元計(jì)算的中斷。這可能會(huì)導(dǎo)致處理時(shí)間延長(zhǎng)（因?yàn)樾枰a(bǔ)償?shù)蛘心碱~外的處理資源），甚至導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不正確。重要的是，與離線方法相比，在線中斷不會(huì)為功能重組留下目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間，這可能會(huì)導(dǎo)致更強(qiáng)的刺激效應(yīng)并簡(jiǎn)化結(jié)論。
7.3 通過在線TACS或TMS夾帶改善認(rèn)知功能
為了積極改善與任務(wù)相關(guān)的功能，需要對(duì)神經(jīng)元的作用機(jī)制進(jìn)行特定的假設(shè)。相對(duì)簡(jiǎn)單的目標(biāo)是神經(jīng)元振蕩，這據(jù)說是各種認(rèn)知功能的基礎(chǔ)。為了通過節(jié)律TMS或TACS（圖2C）的相位在線調(diào)制來夾帶神經(jīng)元振蕩，不僅需要明確大腦區(qū)域或網(wǎng)絡(luò)，還需要明確振蕩頻率。當(dāng)能夠經(jīng)顱夾帶（和增強(qiáng)）神經(jīng)元振蕩從而改善認(rèn)知功能時(shí)，這證明了其因果相關(guān)性。然而，同步的增加是否有益取決于振蕩介導(dǎo)相關(guān)神經(jīng)元計(jì)算的機(jī)制。超越單純的興奮性波動(dòng)，振蕩據(jù)說可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的過程，例如跨頻通信，相位編碼，以及潛在的相位依賴性可塑性。這些復(fù)雜的過程更難優(yōu)化，盡管（多焦點(diǎn)）TACS已成功用于產(chǎn)生行為相關(guān)的區(qū)域間同步和工作記憶增強(qiáng)。然而，同步的增加，也可能無意中招募與任務(wù)無關(guān)的神經(jīng)元，或者夾帶誘導(dǎo)的內(nèi)源性振蕩相移也可能不利于與任務(wù)相關(guān)的神經(jīng)元計(jì)算。有趣的是，相同的TMS協(xié)議（例如，10或20-Hz TMS的四到五個(gè)脈沖串）通常用于行為干擾和神經(jīng)元夾帶，例如α或β振蕩活動(dòng)，以及TMS爆發(fā)是否損害或改善認(rèn)知功能可能因此取決于目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)奏同步的大腦活動(dòng)是否有利于任務(wù)。
7.4 通過在線或離線NIBS雙向調(diào)節(jié)（門控）認(rèn)知功能
與破壞或積極驅(qū)動(dòng)介導(dǎo)認(rèn)知功能的神經(jīng)元過程相反，通過TDCS（圖2C）的強(qiáng)直在線調(diào)節(jié)假設(shè)能夠雙向調(diào)節(jié)（減少或增加）與任務(wù)相關(guān)的神經(jīng)元活動(dòng)，具體取決于刺激極性（以及其他因素）。正如箭頭 2 所討論的，TDCS 極性、強(qiáng)度和凈興奮性變化之間沒有直接的關(guān)系。對(duì)于任何給定的NIBS協(xié)議，也沒有從皮質(zhì)興奮性到認(rèn)知表現(xiàn)的簡(jiǎn)單映射?？梢韵胂?，介導(dǎo)任務(wù)相關(guān)計(jì)算的回路中的凈興奮性增加會(huì)增強(qiáng)與任務(wù)相關(guān)的信號(hào)，從而提高信噪比（SNR）?；蛘撸黾拥呐d奮性也可能增加自發(fā)但與任務(wù)無關(guān)的活動(dòng)，從而增加噪聲并降低SNR。同樣的歧義也適用于興奮性降低。重要的是，盡管額外的噪聲可能會(huì)降低與任務(wù)相關(guān)的SNR，以獲得經(jīng)過良好調(diào)整的神經(jīng)元表示，從而損害任務(wù)性能，但噪聲可能對(duì)其他任務(wù)有益。在線NIBS的實(shí)際效果取決于自發(fā)和任務(wù)誘導(dǎo)的大腦狀態(tài)，特定任務(wù)需求，參與者特定特征和刺激參數(shù)的復(fù)雜相互作用。
類似的考慮也適用于通過離線TMS或TCS協(xié)議抑制或促進(jìn)的基本原理（圖2D和E），盡管離線NIBS后皮質(zhì)興奮性的雙向調(diào)節(jié)基于不同的神經(jīng)元機(jī)制（參見箭頭2）。靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中突觸的LTP樣強(qiáng)化或LTD樣弱化僅間接導(dǎo)致神經(jīng)元興奮性的后續(xù)增加或減少以及自發(fā)和任務(wù)相關(guān)神經(jīng)元活動(dòng)的相應(yīng)變化。還應(yīng)該注意的是，離線效應(yīng)雙向性的證據(jù)幾乎完全基于M1刺激后MEP振幅的各自調(diào)制，并且可能不容易推廣到其他蒙太奇和皮質(zhì)區(qū)域。重要的是，在線調(diào)節(jié)的效果，興奮性變化在目標(biāo)腦回路內(nèi)并不均勻分布，因?yàn)橹挥须S機(jī)選擇的功能異質(zhì)突觸受到影響。盡管可能凈促進(jìn)或抑制興奮性，但任一方向的隨機(jī)變化最有可能在這些回路產(chǎn)生的神經(jīng)元活動(dòng)模式中產(chǎn)生噪聲，對(duì)任務(wù)性能產(chǎn)生上述積極或消極后果。這些考慮因素與NIBS的訓(xùn)練研究和治療應(yīng)用高度相關(guān)，NIBS通常假設(shè)離線NIBS誘導(dǎo)的促進(jìn)以改善隨后執(zhí)行的任務(wù)中的行為。
7.5 矛盾促進(jìn)的悖論（the paradox of paradoxical facilitation）
“矛盾促進(jìn)”通常是指“干擾”或“抑制”NIBS協(xié)議對(duì)認(rèn)知功能的意外積極影響。如上所述，噪聲是解釋NIBS協(xié)議認(rèn)知影響的核心概念?？紤]到隨機(jī)共振，向人腦等非線性系統(tǒng)添加噪聲可能會(huì)產(chǎn)生相反的效果。而適量的噪音可以增加亞閾值刺激的微弱神經(jīng)元信號(hào)，將其提升到閾值以上，并導(dǎo)致行為促進(jìn)，超過噪聲水平可能會(huì)掩蓋與任務(wù)相關(guān)的神經(jīng)元信號(hào)。重要的是，NIBS誘導(dǎo)的活動(dòng)或神經(jīng)噪聲不是完全隨機(jī)的，也不獨(dú)立于任務(wù)誘導(dǎo)的神經(jīng)活動(dòng)或大腦狀態(tài)。因此，根據(jù)激活的神經(jīng)元群，誘導(dǎo)的活動(dòng)甚至可以被視為噪聲和信號(hào)的一部分。如果誘導(dǎo)的神經(jīng)元噪聲與正在進(jìn)行的相關(guān)活動(dòng)同步，它可能會(huì)增強(qiáng)信號(hào)。換句話說，行為促進(jìn)可能是由系統(tǒng)中的最佳噪聲水平引起的。雖然最初用于在線TMS研究，但這些原則也適用于離線TMS和TCS協(xié)議。事實(shí)上，在任務(wù)處理之前應(yīng)用的離線NIBS可能會(huì)暫時(shí)將刺激區(qū)域中的活動(dòng)啟動(dòng)到促進(jìn)后續(xù)任務(wù)執(zhí)行的水平，盡管穩(wěn)態(tài)亞可塑性可能導(dǎo)致相反的效果。最后，刺激誘導(dǎo)的遠(yuǎn)距離連接區(qū)域的去抑制可以促進(jìn)認(rèn)知處理。
然而鑒于任務(wù)、大腦狀態(tài)、刺激協(xié)議和強(qiáng)度之間的復(fù)雜相互作用，在大多數(shù)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，給定的NIBS協(xié)議平均導(dǎo)致行為障礙或促進(jìn)的確切情況仍然未知，上述解釋主要以事后方式使用。甚至可以想象，在某些情況下，例如，由于神經(jīng)元噪音增加，NIBS對(duì)認(rèn)知表現(xiàn)影響的真正方向因參與者而異，甚至在試驗(yàn)的參與者內(nèi)部也是如此。在這種情況下，即使缺乏明確的方向，NIBS后變異性的增加（超出測(cè)量噪聲）也可以被視為因果關(guān)系的證據(jù)。然而，這種關(guān)系對(duì)認(rèn)知功能背后的神經(jīng)元機(jī)制的信息較少，并且更難用于治療應(yīng)用。
各種NIBS誘導(dǎo)的神經(jīng)元效應(yīng)可以影響與任務(wù)相關(guān)的神經(jīng)元計(jì)算，盡管對(duì)使特定神經(jīng)元過程易受這種影響或?qū)@種影響具有魯棒性的因素知之甚少。NIBS效應(yīng)通常很小，大腦能夠補(bǔ)償微弱的干擾，可能導(dǎo)致許多NIBS研究中觀察到的零效應(yīng)。
7.6 研究網(wǎng)絡(luò)交互的多站點(diǎn)方法
由于所有認(rèn)知功能都依賴于在大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中組織的分布式過程，因此人們?cè)絹碓接信d趣以同時(shí)或隨后的方式破壞給定功能的多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以研究刺激誘導(dǎo)的網(wǎng)絡(luò)對(duì)認(rèn)知功能的影響。多焦點(diǎn)TMS可以提供對(duì)功能網(wǎng)絡(luò)相互作用的見解，并闡明其補(bǔ)償潛力。功能相互作用可以通過同時(shí)靶向多個(gè)區(qū)域（“多站點(diǎn)”方法）或通過結(jié)合不同區(qū)域的離線和在線TMS（“條件和擾動(dòng)”方法）來在線研究。多位點(diǎn)TMS方法特別適合繪制幾個(gè)大腦區(qū)域中斷的直接后果，因?yàn)槿蝿?wù)執(zhí)行期間急性TMS誘導(dǎo)的干擾使系統(tǒng)沒有時(shí)間發(fā)展適應(yīng)性可塑性。這允許測(cè)試一個(gè)區(qū)域的干擾效應(yīng)是否可以通過同時(shí)破壞其他關(guān)鍵區(qū)域來增加。以互補(bǔ)的方式，條件和擾動(dòng)方法可用于研究快速網(wǎng)絡(luò)重新分配和補(bǔ)償。它將離線調(diào)制的可塑性后效應(yīng)與在線干擾的即時(shí)擾動(dòng)效應(yīng)相結(jié)合，其基本原理是，一個(gè)區(qū)域的離線調(diào)節(jié)可能會(huì)使另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)在線干擾的破壞性影響敏感。在某些情況下，單個(gè)目標(biāo)區(qū)域的離線調(diào)節(jié)不會(huì)影響與任務(wù)相關(guān)的行為，而第二個(gè)區(qū)域的額外在線中斷有效地?fù)p害了任務(wù)性能，揭示了離線協(xié)議的破壞性影響。一個(gè)可能的解釋是，這兩個(gè)區(qū)域都有助于感興趣的功能，并且一個(gè)區(qū)域的離線調(diào)節(jié)可以通過另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的更強(qiáng)貢獻(xiàn)來補(bǔ)償，從而改變它們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)中的功能權(quán)重。額外的在線擾動(dòng)增加了整體“病變負(fù)荷”，從而導(dǎo)致認(rèn)知障礙。當(dāng)與神經(jīng)成像相結(jié)合時(shí)，條件和擾動(dòng)方法也可用于研究網(wǎng)絡(luò)水平的快速重組。O'Shea等人（2007）證明，在動(dòng)作選擇任務(wù)期間，左側(cè)前運(yùn)動(dòng)皮層上的離線TMS減少了刺激區(qū)域的任務(wù)相關(guān)活動(dòng)，并在運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的其他區(qū)域（包括對(duì)側(cè)同源區(qū)域）誘導(dǎo)了代償性上調(diào)。這顯示了神經(jīng)影像學(xué)和多焦點(diǎn)TMS的結(jié)合如何深入了解任務(wù)特異性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)償動(dòng)態(tài)性。
7.7 認(rèn)知模型和計(jì)算神經(jīng)刺激
為了映射刺激引起的對(duì)感興趣的認(rèn)知功能的變化，必須有一個(gè)有效的認(rèn)知模型，可以轉(zhuǎn)化為任務(wù)。例如，雙路線模型（dual-route models）已被用于解釋沖突任務(wù)中的刺激-反應(yīng)兼容性效應(yīng)。這些模型假設(shè)并行的決策路徑，這些路徑可以在行為上分離，并在響應(yīng)激活過程的水平上收斂。這些過程的動(dòng)態(tài)可以通過分布分析來捕獲，該分布分析映射決策過程中的干擾效應(yīng)。因此，認(rèn)知模型有助于將抽象和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)分解為幾個(gè)子組件，這些子組件可以通過特定任務(wù)進(jìn)行操作。NIBS可以探測(cè)這些子組件之間的動(dòng)力學(xué)以及不同大腦區(qū)域?qū)@些過程的功能相關(guān)性。最近，認(rèn)知模型得到了計(jì)算神經(jīng)刺激方法的補(bǔ)充，該方法模擬了緊急網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)并將其與真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。例如，計(jì)算模型可以通過對(duì)先前試驗(yàn)的影響進(jìn)行建模來捕獲選擇重復(fù)偏差，從而更準(zhǔn)確地反映選擇動(dòng)態(tài)。由于人類傾向于在現(xiàn)實(shí)生活中重復(fù)最近的選擇，因此對(duì)選擇歷史進(jìn)行建模提供了對(duì)實(shí)驗(yàn)室外決策的有效估計(jì)。這些模型生成了關(guān)于NIBS誘導(dǎo)的網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)調(diào)制對(duì)行為測(cè)量的影響的預(yù)測(cè)。它們?cè)试S預(yù)測(cè)可以通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的神經(jīng)刺激的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)。
8. 從認(rèn)知功能到行為反應(yīng)（箭頭5）
第五個(gè)成對(duì)因果（箭頭5）是指認(rèn)知功能（或其調(diào)節(jié)）對(duì)特定行為任務(wù)中表現(xiàn)的影響。感興趣的認(rèn)知功能需要由特定任務(wù)操作，以測(cè)量它如何受到給定NIBS協(xié)議的影響，并且該任務(wù)必須足夠困難才能對(duì)NIBS引起的（通常非常小的）認(rèn)知變化足夠敏感。通常，幾種認(rèn)知功能的相互作用對(duì)于任務(wù)的完成是必要的，并且需要對(duì)比其他認(rèn)知過程的影響并建立任務(wù)特異性。
8.1 行為建模方法的好處
為了彌合認(rèn)知模型和行為結(jié)果測(cè)量之間的差距，分布分析可以提供對(duì)不同反應(yīng)策略的洞察。相對(duì)于平均響應(yīng)速度或任務(wù)準(zhǔn)確性等綜合測(cè)量的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，它們考慮了整個(gè)響應(yīng)分布（即正確和不正確的響應(yīng)），并且對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)力學(xué)和響應(yīng)策略的個(gè)體差異更敏感。它們有助于克服復(fù)合測(cè)量的統(tǒng)計(jì)敏感性差。這種分析有助于區(qū)分認(rèn)知理論的子過程。這些模型對(duì)可能被忽視的輕微調(diào)整特別敏感，特別是在NIBS研究中，效應(yīng)量相對(duì)較小。除了二元選擇任務(wù)之外，順序抽樣模型還適用于更復(fù)雜的多項(xiàng)選擇決策，這可能更好地匹配現(xiàn)實(shí)生活中的決策。
8.2 量化NIBS效應(yīng)的綜合措施（composite measures）
大多數(shù)NIBS研究依賴于從單個(gè)平均響應(yīng)速度或準(zhǔn)確性得出的綜合測(cè)量，通常使用方差分析或t檢驗(yàn)進(jìn)行分析。然而，NIBS研究可以從混合模型中受益，允許對(duì)非線性個(gè)體特征進(jìn)行建模，并在處理缺失數(shù)據(jù)時(shí)提供更大的靈活性。這種方法對(duì)于縱向NIBS設(shè)計(jì)特別有用，其中單個(gè)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)缺失可能導(dǎo)致參與者被排除在外。有時(shí)，運(yùn)動(dòng)反應(yīng)也可以通過電生理方式進(jìn)行評(píng)估，例如，在言語產(chǎn)生任務(wù)中刺激運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)前區(qū)域期間從面部肌肉記錄的MEP。對(duì)于其他任務(wù)，心理測(cè)量功能或反應(yīng)偏差可能是選擇的衡量標(biāo)準(zhǔn)。無論使用哪種行為測(cè)量，NIBS協(xié)議都可能首先影響任務(wù)效率，導(dǎo)致響應(yīng)延遲增加（或減少），因?yàn)轫憫?yīng)速度是比任務(wù)準(zhǔn)確性更敏感的性能指標(biāo)。然而，有時(shí)，任務(wù)準(zhǔn)確性會(huì)受到影響，而對(duì)任務(wù)效率沒有任何影響。關(guān)于TMS誘導(dǎo)的干擾效應(yīng)對(duì)兩個(gè)過程中任何一個(gè)的潛在機(jī)制，干擾效應(yīng)的嚴(yán)重程度可能取決于感知閾值。例如，強(qiáng)干擾可能會(huì)抑制低于感知閾值的視覺刺激，導(dǎo)致任務(wù)準(zhǔn)確性降低，無法通過提高響應(yīng)速度來補(bǔ)償，并且接近感知閾值的弱視覺刺激可能首先受到影響。相比之下，與任務(wù)相關(guān)的活動(dòng)的輕微調(diào)制可能會(huì)選擇性地延遲響應(yīng)速度，延遲的增加會(huì)阻止對(duì)任務(wù)準(zhǔn)確性的影響。脈沖的時(shí)間和刺激頻率可能對(duì)刺激方案的結(jié)果起著至關(guān)重要的作用。例如，在視覺辨別任務(wù)期間響應(yīng)速度存在強(qiáng)烈延遲的情況下，任務(wù)準(zhǔn)確性沒有任何損害，這可以用10-Hz rTMS協(xié)議來解釋，認(rèn)為TMS可能會(huì)在每個(gè)100毫秒的脈沖間隔內(nèi)短暫中斷處理，但永遠(yuǎn)不會(huì)完全干擾識(shí)別的相關(guān)信息。據(jù)我們所知，沒有研究系統(tǒng)地改變刺激頻率來調(diào)查更高的頻率是否會(huì)影響辨別速度和準(zhǔn)確性。大多數(shù)研究假設(shè)TMS可能會(huì)影響任務(wù)速度和準(zhǔn)確性，但尚不清楚這兩個(gè)參數(shù)的調(diào)節(jié)是否依賴于不同的神經(jīng)機(jī)制。認(rèn)知和計(jì)算模型可能有助于先驗(yàn)地指定對(duì)兩個(gè)結(jié)果參數(shù)的預(yù)期影響，因?yàn)檎J(rèn)知功能的不同子過程的概念化有助于分離預(yù)期結(jié)果。
9. 挑戰(zhàn)假定因果鏈的混雜因素
如圖1B所示，通過影響所研究的核心因果對(duì)的雙方，即結(jié)構(gòu)——功能（或大腦——行為）關(guān)系，幾個(gè)因素可能會(huì)混淆假設(shè)的因果鏈（紅框）。一些因素與NIBS的應(yīng)用有關(guān)，例如直接（藍(lán)框）或通過外圍感覺通路（綠框）意外地共同刺激非目標(biāo)大腦區(qū)域。其他因素（黃框）并非來自NIBS應(yīng)用，而是來自實(shí)驗(yàn)設(shè)置（例如，任務(wù)需求），參與者的傾向（例如，當(dāng)前的大腦狀態(tài)，認(rèn)知能力，信念和期望），或兩者的相互作用（例如，學(xué)習(xí)效果）。所有這些因素要么直接影響大腦活動(dòng)和認(rèn)知功能，要么通過調(diào)節(jié)它們對(duì)NIBS的反應(yīng)。這些因素中的非系統(tǒng)性差異顯示出相當(dāng)大的個(gè)體內(nèi)和/或個(gè)體間變異性，可能會(huì)損害NIBS協(xié)議調(diào)節(jié)目標(biāo)認(rèn)知功能（產(chǎn)生假陰性）的整體有效性，而實(shí)驗(yàn)條件的系統(tǒng)性差異可能會(huì)為參與者內(nèi)部引入系統(tǒng)混淆（假陽性）。為了防止混淆，需要消除這些因素，在實(shí)驗(yàn)條件下保持恒定，或者明確包括實(shí)驗(yàn)對(duì)照條件。
9.1 非目標(biāo)區(qū)域和網(wǎng)絡(luò)的共同刺激
TMS和TCS的應(yīng)用可能會(huì)產(chǎn)生副作用，從而產(chǎn)生箭頭2的相關(guān)混雜，即非目標(biāo)大腦區(qū)域的有效電場(chǎng)和周圍神經(jīng)元結(jié)構(gòu)的共刺激。如果刺激強(qiáng)度足夠大，TMS誘導(dǎo)的電場(chǎng)也將在相鄰的非目標(biāo)位置（藍(lán)框）達(dá)到有效水平，特別是在更表面的位置。因此，不太可能專門刺激溝深處的坐標(biāo)，從而將局灶性刺激限制在回冠上。對(duì)于TCS，與靶標(biāo)相比，廣泛的電場(chǎng)在相似或更高的強(qiáng)度下導(dǎo)致更延伸的脫靶刺激。盡管與具有大電極的經(jīng)典雙電極蒙太奇相比，具有小電極的多電極蒙太奇的電場(chǎng)更集中，但有效的電場(chǎng)不會(huì)受到目標(biāo)大腦區(qū)域的邊界的限制。此外，TMS和TCS也在顱外周誘導(dǎo)有效的電場(chǎng)（綠框），皮膚中的幅度不可避免地大于大腦中的電場(chǎng)。特別是，TCS誘導(dǎo)的電場(chǎng)通過高導(dǎo)電性皮膚組織分流，也延伸到視網(wǎng)膜中的周圍神經(jīng)元結(jié)構(gòu)和前庭系統(tǒng)。除了電場(chǎng)本身，刺激的物理副作用，如TMS線圈產(chǎn)生的“咔嗒”聲和機(jī)械振動(dòng)，也會(huì)影響皮膚中的機(jī)械感受器，并通過空氣傳播和骨傳導(dǎo)到達(dá)內(nèi)耳。然后，外周感覺結(jié)構(gòu)的激活會(huì)導(dǎo)致初級(jí)和次級(jí)感覺大腦區(qū)域的意外激活，最終也會(huì)影響高階區(qū)域。因此，這兩種途徑（藍(lán)色和綠色）最終都可以激活遠(yuǎn)程區(qū)域并影響非目標(biāo)認(rèn)知功能。因此，局部和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)都會(huì)混淆NIBS誘導(dǎo)的目標(biāo)活動(dòng)對(duì)目標(biāo)認(rèn)知功能的影響。例如，當(dāng)靶向更高的皮質(zhì)關(guān)聯(lián)區(qū)域，如下頂葉皮層，它整合了來自幾種模式的信息，其NIBS相關(guān)激活可能來自經(jīng)顱或感覺刺激。復(fù)雜的特定領(lǐng)域認(rèn)知功能通常涉及幾個(gè)領(lǐng)域的一般過程，如注意力、工作記憶或執(zhí)行功能，這些過程（或其他不感興趣的認(rèn)知功能）的感覺破壞可能會(huì)嚴(yán)重影響任務(wù)處理并調(diào)節(jié)響應(yīng)速度或準(zhǔn)確性。
9.2 參與者的信念和期望
NIBS研究的參與者對(duì)神經(jīng)刺激的影響和潛在的副作用有一定的期望和信念。這些期望和信念可以以一種可能與實(shí)驗(yàn)的基本假設(shè)一致或不一致的方式影響他們的表現(xiàn)。參與者還可以對(duì)實(shí)驗(yàn)的時(shí)間結(jié)構(gòu)和當(dāng)前的刺激條件（真或假）產(chǎn)生期望和實(shí)際知識(shí)，以便他們可以預(yù)測(cè)和準(zhǔn)備在線NIBS研究中的刺激試驗(yàn)，或者在離線NIBS協(xié)議后表現(xiàn)不同。
9.3 任務(wù)需求、學(xué)習(xí)效果和認(rèn)知能力
許多認(rèn)知功能隨時(shí)間（例如，由于學(xué)習(xí)或疲勞）和參與者而異。不同的認(rèn)知能力基線表現(xiàn)水平差異導(dǎo)致在NIBS認(rèn)知研究中觀察到巨大個(gè)體間差異。在視覺啟動(dòng)研究中，單脈沖TMS促進(jìn)了低績(jī)效者的行為反應(yīng)，但延遲了高績(jī)效者的反應(yīng)速度，這些影響與任務(wù)難度相互作用，表明刺激、大腦狀態(tài)和任務(wù)誘導(dǎo)狀態(tài)之間存在復(fù)雜的相互作用。這種相互作用使從給定的NIBS協(xié)議得出的結(jié)論復(fù)雜化。此外，學(xué)習(xí)或泛化效應(yīng)會(huì)影響表現(xiàn)，特別是如果在不同的刺激條件下重復(fù)測(cè)量相同的任務(wù)，就像通常在參與者內(nèi)設(shè)計(jì)中所做的那樣。這些效應(yīng)的潛在影響需要通過平衡參與者的任務(wù)順序和刺激條件來控制。在隱含任務(wù)或?qū)W習(xí)范式無法重復(fù)的情況下，需要采用參與者之間的設(shè)計(jì)。其他非特異性影響，如一天中的時(shí)間和荷爾蒙周期也可能影響認(rèn)知功能。其中一些因素可以（并且應(yīng)該）在實(shí)驗(yàn)條件下保持恒定，例如，通過在一天中的同一時(shí)間對(duì)同一參與者進(jìn)行重復(fù)測(cè)量。
9.4 當(dāng)前的大腦狀態(tài)
NIBS效應(yīng)的大小和方向也可能因參與者內(nèi)部和參與者之間刺激時(shí)當(dāng)前大腦狀態(tài)的差異而有所不同。“狀態(tài)依賴”的概念首先被引入視覺系統(tǒng)，狀態(tài)依賴效應(yīng)已經(jīng)在各種（認(rèn)知）領(lǐng)域進(jìn)行了描述。在比較不同TMS強(qiáng)度對(duì)休息和抓握任務(wù)期間神經(jīng)活動(dòng)的影響時(shí)，同步TMS-fMRI也證明了遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)依賴性。關(guān)鍵的假設(shè)是大腦狀態(tài)會(huì)影響受刺激神經(jīng)元群體中興奮性的分布，進(jìn)而影響它們對(duì)刺激的反應(yīng)。皮質(zhì)興奮性的這種振蕩調(diào)節(jié)導(dǎo)致了腦狀態(tài)依賴性腦刺激的想法，即將刺激限制在某個(gè)目標(biāo)狀態(tài)。大腦狀態(tài)動(dòng)力學(xué)也可能改變NIBS干擾效應(yīng)，使得通常會(huì)損害感知的強(qiáng)度突然產(chǎn)生促進(jìn)作用。當(dāng)前的大腦狀態(tài)也可能與TDCS研究中的極性相互作用，這對(duì)于涉及不同訓(xùn)練階段的學(xué)習(xí)研究尤其重要。雖然最初是為在線TMS引入的，但狀態(tài)依賴性也被建議影響離線NIBS協(xié)議。例如，10-Hz TACS對(duì)隨后的EEG α功率的促進(jìn)后效應(yīng)僅在睜開眼睛但不閉眼的情況下應(yīng)用TACS時(shí)才明顯。此外，經(jīng)典的離線NIBS方案在其后效應(yīng)中顯示出較大的個(gè)體內(nèi)和個(gè)體間差異，這取決于個(gè)體內(nèi)（例如，當(dāng)前大腦狀態(tài)、突觸活動(dòng)史、激素水平、晝夜節(jié)律）或個(gè)體之間（例如，性別、年齡、個(gè)體水平目標(biāo)區(qū)域的深度和方向、遺傳學(xué)）的差異，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致無效結(jié)果。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中對(duì)離線TMS協(xié)議的響應(yīng)的個(gè)體變異性可能受到特定中間神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的影響，皮質(zhì)脊髓興奮性測(cè)量可能有助于分離應(yīng)答者和無應(yīng)答者。然而，目前尚不清楚這如何轉(zhuǎn)化為認(rèn)知功能，因?yàn)?/span>M1的興奮性與其他區(qū)域的反應(yīng)性無關(guān)，并且認(rèn)知能力和功能組織的個(gè)體間差異進(jìn)一步導(dǎo)致響應(yīng)NIBS協(xié)議時(shí)的巨大個(gè)體間變異性。
9.5 亞可塑性
離線刺激方案可能進(jìn)一步受到亞可塑性的影響，使得突觸可塑性本身可能根據(jù)神經(jīng)元突觸后活動(dòng)的歷史而變化。代謝可塑性有助于網(wǎng)絡(luò)功能和行為，可能是穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)的。穩(wěn)態(tài)亞可塑性已在人類 M1 中被證明用于可塑性誘導(dǎo) NIBS 協(xié)議的幾種組合。例如，應(yīng)用相同的啟動(dòng)和測(cè)試θ爆發(fā)協(xié)議可能會(huì)逆轉(zhuǎn)測(cè)試協(xié)議的效果，而使用相反協(xié)議的啟動(dòng)被證明可以增加測(cè)試協(xié)議的效果。值得注意的是，由兩個(gè)連續(xù)的NIBS協(xié)議誘導(dǎo)的亞可塑性的影響強(qiáng)烈依賴于啟動(dòng)和測(cè)試方案之間的時(shí)間，因?yàn)殡S后兩個(gè)類似的θ爆發(fā)方案的組合也可能導(dǎo)致對(duì)皮質(zhì)脊髓興奮性的非穩(wěn)態(tài)加和效應(yīng)。這些發(fā)現(xiàn)與認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究特別相關(guān)，因?yàn)樵S多訓(xùn)練干預(yù)與NIBS協(xié)議相結(jié)合以增強(qiáng)行為干預(yù)的效果，并且穩(wěn)態(tài)代謝性原理可能在整個(gè)皮質(zhì)區(qū)域推廣。然而，對(duì)于大多數(shù)干預(yù)措施來說，任務(wù)和刺激之間的最佳時(shí)機(jī)仍然未知，并且通常忽略了亞可塑性的潛在影響。上述討論的結(jié)果表明，代謝可塑性可能會(huì)增加，減少甚至逆轉(zhuǎn)給定NIBS協(xié)議的預(yù)期方向。雖然目前還不清楚這如何影響認(rèn)知過程，但這種影響可能會(huì)導(dǎo)致認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的NIBS研究的意外結(jié)果或無效發(fā)現(xiàn)。
10. 控制條件——如何設(shè)計(jì)有效的 NIBS研究
在概述了可能中斷或混淆典型認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)NIBS研究的因果鏈的眾多因素之后，我們現(xiàn)在討論最重要的實(shí)驗(yàn)控制條件。控制條件用于控制在NIBS實(shí)驗(yàn)中無法完全消除的影響，例如非目標(biāo)大腦區(qū)域或網(wǎng)絡(luò)和周圍感覺結(jié)構(gòu)的無意共同刺激，參與者對(duì)NIBS程序的期望和信念的影響，以及任務(wù)表現(xiàn)對(duì)其他非目標(biāo)認(rèn)知功能的不可避免的依賴。重要的是，實(shí)驗(yàn)中包含的控制條件決定了可以從結(jié)果中得出的結(jié)論。NIBS實(shí)驗(yàn)的典型原理是，如果給定的NIBS協(xié)議，在相對(duì)于任務(wù)的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)應(yīng)用，影響行為表現(xiàn)，這證明了目標(biāo)區(qū)域和/或神經(jīng)元活動(dòng)模式與任務(wù)認(rèn)知功能的因果相關(guān)性。根據(jù)假設(shè)，對(duì)所研究的大腦行為關(guān)系在目標(biāo)解剖位置、時(shí)間窗口和/或振蕩頻率方面的特異性以及任務(wù)的受影響方面做出了幾個(gè)明確（或隱含）的假設(shè)。出于可行性原因，在單個(gè)研究中幾乎不可能實(shí)現(xiàn)所有控制條件，尤其是在完全交叉因子設(shè)計(jì)中。但是，任何特異性聲明都需要使用適當(dāng)?shù)目刂茥l件進(jìn)行明確測(cè)試。
10.1 無刺激條件
早期的研究通常包括沒有刺激（即“無TMS”）作為對(duì)照條件的試驗(yàn)，有時(shí)隨機(jī)交錯(cuò)有效刺激以控制殘留（carry-over）和實(shí)踐效果。然而，這并不能控制任何非特異性的副作用，TMS和沒有TMS之間的差異對(duì)參與者來說是顯而易見的。為了避免試驗(yàn)或條件之間的殘留效應(yīng)，可以設(shè)計(jì)試驗(yàn)間歇和/或TMS訓(xùn)練的持續(xù)時(shí)間，或者可以將類似條件的試驗(yàn)分組為短的組塊（blocks）。
10.2 假TMS
假TMS旨在模仿感官共刺激，并作為安慰劑條件來控制參與者的信念和期望。已經(jīng)采用了不同的假TMS方法，包括用墊片將線圈與頭皮物理分離，在有源線圈頂部放置一個(gè)傾斜90°的額外線圈，并選擇性地將前者關(guān)機(jī)作為假狀態(tài)，稍微傾斜頭皮上的線圈以避免刺激潛在的大腦區(qū)域。將線圈從頭皮上移開可以保留線圈充電引起的空氣傳播聲音，但很少或沒有誘導(dǎo)骨傳導(dǎo)，并且完全缺乏體感共刺激。同樣，與有源TMS相比，頂部的額外線圈或傾斜線圈，使得只有邊緣接觸頭部，產(chǎn)生大致相當(dāng)?shù)穆犛X輸入，但由于缺乏周圍神經(jīng)刺激，幾乎沒有軀體感覺輸入。傳統(tǒng)的假線圈也是如此，它們通過屏蔽或逆流來降低有效刺激強(qiáng)度，這可能會(huì)阻止對(duì)目標(biāo)區(qū)域的有效刺激，也會(huì)阻止對(duì)外圍結(jié)構(gòu)的有效刺激。因此，這些方法很難實(shí)現(xiàn)受試者盲法。這對(duì)于認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究中經(jīng)常使用的參與者內(nèi)部設(shè)計(jì)尤其成問題。為了克服這些限制，“現(xiàn)實(shí)”假條件旨在模仿軀體感覺副作用。因此，最先進(jìn)的逼真假條件結(jié)合了單獨(dú)調(diào)整的聽覺噪聲，以減弱真和假條件下的點(diǎn)擊聲音，線圈下方的泡沫填充以衰減振動(dòng)，并通過TMS線圈下方的表面電極單獨(dú)調(diào)節(jié)皮膚電刺激以模仿周圍神經(jīng)刺激。然而，即使單獨(dú)調(diào)整電刺激強(qiáng)度，有經(jīng)驗(yàn)的參與者也可能注意到現(xiàn)實(shí)假刺激和有效刺激之間的差異，因?yàn)殡姶碳さ钠つw感覺會(huì)有所不同。當(dāng)在線TMS以更高的強(qiáng)度應(yīng)用于刺激可能產(chǎn)生令人不快的副作用（如顱骨/面部肌肉抽搐）的區(qū)域時(shí)，這尤其成問題。這些副作用可以大大混淆獲得的結(jié)果，如工作記憶表現(xiàn)與TMS不愉快的個(gè)人評(píng)級(jí)之間的負(fù)相關(guān)。因此，真刺激控制位點(diǎn)始終是可取的。然而，真刺激控制位點(diǎn)的選擇可能很棘手，特別是如果研究廣泛分布在整個(gè)大腦中的復(fù)雜認(rèn)知功能，從而排除了使用最匹配的區(qū)域作為控制位點(diǎn)。
10.3 假TCS
與大多數(shù)TMS研究相比，TCS研究通常包括假刺激條件，但沒有真刺激對(duì)照位點(diǎn)（即對(duì)照蒙太奇）。假TCS通常是通過將電流增加到目標(biāo)強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)的，例如，10-30秒，然后立即再次下降，沒有任何進(jìn)一步的真刺激，從而在開始時(shí)產(chǎn)生一些皮膚的感覺（刺痛，瘙癢，灼熱），據(jù)說使真實(shí)和虛假的TDCS無法區(qū)分。然而，最近的證據(jù)表明，即使使用大約 1 mA 的低刺激強(qiáng)度，參與者的盲法也會(huì)受到影響。最近推出的假 TCS 協(xié)議通過基于模型的經(jīng)皮和經(jīng)顱效應(yīng)量化將多電極蒙太奇與受控電流分流相結(jié)合，確保在整個(gè)刺激過程中具有恒定的頭皮感覺和相對(duì)于有效 TCS 的類似感覺。與傳統(tǒng)的雙焦點(diǎn)斜坡上升、斜坡下降假刺激方案相比，該方案在受試者盲法方面更勝一籌，并且可能為 TCS 提供現(xiàn)實(shí)的假刺激條件。至于TMS，仔細(xì)匹配的真刺激對(duì)照蒙太奇也是TCS研究的黃金標(biāo)準(zhǔn)。在TDCS研究中，可以通過對(duì)感興趣的靶區(qū)應(yīng)用陽極和陰極TDCS來額外測(cè)試極性特異性。
10.4 通過無效刺激方案進(jìn)行控制對(duì)照
對(duì)于某些NIBS協(xié)議，可以創(chuàng)建無效的刺激方案，該方案可以應(yīng)用于同一區(qū)域而不會(huì)引起關(guān)鍵的神經(jīng)元效應(yīng)。例如，訓(xùn)練間（intertrain）持續(xù)時(shí)間的變化使θ爆發(fā)刺激方案無效，并且用單個(gè)脈沖替換θ脈沖（triplets）也不產(chǎn)生后效應(yīng)，因?yàn)?/span>5 Hz的200個(gè)脈沖可能沒有持久影響。配對(duì)的聯(lián)合刺激協(xié)議在參與者不知不覺中使用隨機(jī)選擇本身無效的ISI時(shí)變得無效。通常，劑量減少可以使方案無效，例如，通過降低刺激強(qiáng)度，脈沖數(shù)或應(yīng)用的總持續(xù)時(shí)間。此外，TMS線圈方向的變化（通常相對(duì)于目標(biāo)回從正交到平行）足以消除特定效應(yīng)。除了簡(jiǎn)單的劑量減少，不可避免地改變感覺共刺激的量，并可能改變參與者對(duì)刺激有效性的信念，這些控制可以被認(rèn)為是與有效實(shí)驗(yàn)方案相對(duì)匹配的高級(jí)控制條件，盡管它們伴隨著殘留經(jīng)顱效應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。
10.5 控制對(duì)照任務(wù)（任務(wù)特異性）
任務(wù)特異性意味著，如果皮質(zhì)區(qū)域X與認(rèn)知過程A相關(guān)但與B無關(guān)，那么區(qū)域X上的給定NIBS協(xié)議應(yīng)該選擇性地調(diào)節(jié)任務(wù)A而不是B。這要求控制對(duì)照任務(wù)在感興趣的認(rèn)知功能上選擇性地不同于感興趣的任務(wù)，但在任務(wù)難度、低水平的感覺輸入和支持性認(rèn)知功能（例如，感知、注意、工作記憶、執(zhí)行或運(yùn)動(dòng)需求）方面是匹配的。如果沒有任務(wù)特異性的證據(jù)，NIBS協(xié)議可能會(huì)簡(jiǎn)單地干擾這些認(rèn)知功能，從而可能對(duì)行為表現(xiàn)產(chǎn)生相同的影響。重要的是，某些任務(wù)（例如，視覺注意或定向任務(wù)）也可能受到感覺共刺激的更強(qiáng)烈影響。
10.6 控制對(duì)照區(qū)域（解剖特異性）
解剖學(xué)特異性意味著NIBS協(xié)議僅在應(yīng)用于區(qū)域X時(shí)影響任務(wù)A，而區(qū)域Y時(shí)不影響，因?yàn)橹挥星罢邔?duì)感興趣的認(rèn)知功能有因果貢獻(xiàn)。因此，需要一個(gè)有源TMS控制位點(diǎn)或TCS電極蒙太奇來證明觀察到的效果實(shí)際上取決于特定大腦區(qū)域的刺激，而不僅僅是大腦本身或其感覺輸入結(jié)構(gòu)的刺激。許多研究使用頂點(diǎn)（vertex）作為主動(dòng)控制位點(diǎn)，其基本原理是聽覺和軀體感覺輸入應(yīng)與其他靶位點(diǎn)大致相似，但腦組織位于頭皮下方更深處，被認(rèn)為主要包含下半身的感覺運(yùn)動(dòng)表征，因此不會(huì)影響認(rèn)知任務(wù)表現(xiàn)。然而，根據(jù)感興趣的目標(biāo)區(qū)域，偏側(cè)化是一個(gè)潛在的問題。此外，使用同步TMS-fMRI證明應(yīng)用于頂點(diǎn)的超閾值低頻rTMS在默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)中誘導(dǎo)了廣泛的失活，盡管受刺激區(qū)域中的BOLD信號(hào)不受影響。盡管這些遠(yuǎn)程效果的來源尚不清楚，但這意味著頂點(diǎn)可能不是涉及默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)或與默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)交互的任務(wù)的合適控制位點(diǎn)。鑒于任務(wù)正性（task positive）網(wǎng)絡(luò)和默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜相互作用，這將排除對(duì)大多數(shù)認(rèn)知功能使用頂點(diǎn)刺激，特別是那些與默認(rèn)模式參與直接相關(guān)的功能，如語義處理，社會(huì)認(rèn)知，自傳記憶，自我相關(guān)思維和意識(shí)。對(duì)于某些區(qū)域，同源區(qū)域可能是足夠的主動(dòng)對(duì)照位點(diǎn)，特別是如果對(duì)特定認(rèn)知功能的偏側(cè)化感興趣。然而，TMS也可能通過胼胝體連接影響對(duì)側(cè)區(qū)域（參見箭頭3），特別是如果使用高強(qiáng)度或高頻。對(duì)于某些認(rèn)知過程，偏側(cè)化不太清楚，同源區(qū)域可能有助于給定的任務(wù)。選擇與最重要維度相匹配的主動(dòng)控制位點(diǎn)可以通過最近推出的TMS研究圖譜進(jìn)行指導(dǎo)。同樣對(duì)于TCS，與外周共刺激效應(yīng)匹配良好的對(duì)照蒙太奇應(yīng)該是強(qiáng)制性的，至少要求一定程度的解剖特異性。對(duì)于離線NIBS方案，應(yīng)間隔幾天在不同的療程中靶向不同的刺激位點(diǎn)，以防止刺激的任何殘留效應(yīng)。
10.7 控制時(shí)間點(diǎn)（時(shí)間特異性）
根據(jù)研究問題和應(yīng)用的NIBS協(xié)議，時(shí)間特異性可能至關(guān)重要。事實(shí)上，計(jì)時(shí)方法極大地推進(jìn)了當(dāng)前關(guān)于不同認(rèn)知過程的時(shí)間過程的知識(shí)，例如視覺感知、視覺方向和意識(shí)、運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的注意力、聲音定位、工作記憶或語言。大多數(shù)系統(tǒng)地改變刺激時(shí)間點(diǎn)的計(jì)時(shí)TMS研究認(rèn)為不需要控制位點(diǎn)，因?yàn)樘禺愋杂蓵r(shí)間點(diǎn)之間的差異顯示。然而，這種假設(shè)是無效的，因?yàn)樵诖碳ぐl(fā)作之前或刺激發(fā)作時(shí)立即給出的在線TMS充當(dāng)警報(bào)信號(hào)，并對(duì)反應(yīng)速度造成非特異性的跨感覺促進(jìn)效應(yīng)。如果TMS在某些試驗(yàn)中發(fā)生在刺激之后，則導(dǎo)致參與者“等待”TMS脈沖，反應(yīng)速度可能會(huì)延遲。
10.8 控制頻率（頻率特異性）
在大多數(shù)NIBS研究中，頻率特異性被忽略。然而，對(duì)于一些研究問題，這可能是至關(guān)重要的，特別是如果得出關(guān)于節(jié)律性NIBS協(xié)議的夾帶或可塑性后效應(yīng)的結(jié)論。例如，在一個(gè)假設(shè)的實(shí)驗(yàn)中，除了解剖學(xué)特異性（包括控制蒙太奇和假刺激作為基線）和任務(wù)特異性（包括匹配良好的控制任務(wù)）之外，pFC上的β-TACS影響工作記憶的結(jié)論只有在能夠證明這些影響是頻率特異性（包括控制頻率）的情況下才有效。事實(shí)上，在使用TACS的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究中，頻率特異性經(jīng)常被考慮，但許多研究仍然只是簡(jiǎn)單地將感興趣的頻率與假刺激進(jìn)行比較，這并不能證明任何關(guān)于刺激頻率相關(guān)性的結(jié)論是合理的。一些研究明確使用了低于和高于目標(biāo)頻率的對(duì)稱控制頻率，以防止與刺激持續(xù)時(shí)間或周期數(shù)混淆。然而，還沒有建立明確的程序來定義控制頻率的數(shù)量或與感興趣頻率的距離。顯然，控制頻率不應(yīng)該從事感興趣的任務(wù)。刺激頻率的個(gè)體調(diào)整可能是有利的，至少在α波段是有利的，盡管目前尚不清楚當(dāng)刺激與大腦的特征頻率相匹配時(shí)是否更有效或略有不同。值得注意的是，TACS可以在大多數(shù)頻率下誘導(dǎo)節(jié)律性視網(wǎng)膜光幻和皮膚感覺，盡管具有不同的閾值，再次強(qiáng)調(diào)僅靠頻率控制是不夠的，需要采用控制蒙太奇。
11.進(jìn)一步的注意事項(xiàng)
為了保證整個(gè)實(shí)驗(yàn)中準(zhǔn)確的線圈或電極放置和維護(hù)，并避免刺激裝置運(yùn)動(dòng)引起的混雜，強(qiáng)烈建議使用立體定向神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)和單個(gè)T1加權(quán)圖像。一般來說，TCS研究受益于優(yōu)化的蒙太奇或計(jì)算優(yōu)化的多通道安排，這可能有助于聚焦受刺激區(qū)域并最大限度地減少不需要的外圍共刺激。應(yīng)采用電場(chǎng)建模來估計(jì)電極蒙太奇或線圈放置的焦點(diǎn)，最大限度地減少非皮質(zhì)刺激的影響，并優(yōu)化刺激效率。與認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的許多其他研究一樣，NIBS研究經(jīng)常遭受相對(duì)小和同質(zhì)的樣本（即，主要是健康的年輕學(xué)生志愿者，樣本量<30名參與者），這不能代表一般人群。統(tǒng)計(jì)功效的先驗(yàn)計(jì)算可以指導(dǎo)樣本量選擇，我們主要提倡更大的樣本量，但對(duì)于大多數(shù)NIBS研究，效應(yīng)量是事先未知的。只要有可能，NIBS實(shí)驗(yàn)應(yīng)作為參與者內(nèi)部設(shè)計(jì)進(jìn)行，以減少基于組成員不完全隨機(jī)化的個(gè)體間變異性和混淆。如果在參與者間設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了控制條件，則控制條件需要具有與實(shí)驗(yàn)條件相同的樣本量，以排除混雜的統(tǒng)計(jì)功效。
設(shè)計(jì)有效NIBS研究的十二條一般建議：
總而言之，我們提出以下12個(gè)一般建議，在設(shè)計(jì)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的NIBS研究時(shí)要考慮（這些建議的適用性可能因研究問題的具體情況以及實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)/邏輯可行性而異）：
[1]了解您的靶點(diǎn)！確保您以合適的NIBS技術(shù)空間精度確定了刺激靶點(diǎn)。如果可能，考慮使用基于fMRI的定位儀進(jìn)行靶標(biāo)識(shí)別。
[2]模擬電子場(chǎng)！使用基于真實(shí)MR頭部模型的單個(gè)電場(chǎng)建模來證實(shí)電場(chǎng)在目標(biāo)位點(diǎn)最大（靈敏度）并盡可能局限于靶位點(diǎn)（特異性）。
[3]調(diào)整刺激強(qiáng)度！考慮到線圈-皮層距離，刺激強(qiáng)度應(yīng)單獨(dú)調(diào)整，即使尚不存在理想的參考值（使用% RMT）。誘導(dǎo)電場(chǎng)強(qiáng)度的估計(jì)（尚）不是最先進(jìn)的，但建議使用。
[4]使用神經(jīng)導(dǎo)航！基于MR的單個(gè)神經(jīng)導(dǎo)航可確保在session內(nèi)和session間精確放置和維護(hù)TMS線圈/ TCS電極，并且是高質(zhì)量TMS和高精度TCS研究的基本先決條件。
[5]將NIBS與神經(jīng)成像相結(jié)合！使用神經(jīng)影像學(xué)（例如，fMRI、EEG/MEG）來建立有效性證據(jù)或靶點(diǎn)激活，即證明在目標(biāo)區(qū)域/網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)誘導(dǎo)了所需的神經(jīng)元效應(yīng)，并且其他區(qū)域/網(wǎng)絡(luò)的意外共激活不會(huì)混淆結(jié)果。這也允許將NIBS誘導(dǎo)的神經(jīng)元和行為效應(yīng)聯(lián)系起來。
[6]包括一個(gè)控制位點(diǎn)！真刺激控制部位（TMS）或蒙太奇（TCS）與感覺和不適感非常匹配，是感覺共刺激混淆的強(qiáng)控制，并有助于建立解剖特異性。作為基線的額外的（現(xiàn)實(shí)的）假刺激條件是最佳的。
[7]包括控制任務(wù)！適當(dāng)?shù)目刂迫蝿?wù)不涉及感興趣的認(rèn)知功能，但與任務(wù)難度相匹配，是通過共同受影響的認(rèn)知功能（例如，注意力）對(duì)可能的混淆進(jìn)行強(qiáng)有力的控制，并有助于建立任務(wù)特異性。
[8]包括控制時(shí)間窗口（如果適用）！如果目標(biāo)神經(jīng)元過程的時(shí)間很重要（例如，在進(jìn)行心理計(jì)時(shí)時(shí)），則需要在不同時(shí)間點(diǎn)/窗口進(jìn)行刺激以建立時(shí)間特異性。
[9]包括控制頻率（如果適用）！如果要演示夾帶或類似的頻率特定效果，則必須使用相鄰控制頻率（理想情況下為較低和較高頻率）。不規(guī)則（arrhythmic）控制刺激可以控制刺激脈沖/周期的數(shù)量和節(jié)律性的存在，但不能建立頻率特異性。
[10]盡可能減少可變性！參與者內(nèi)部設(shè)計(jì)減少了個(gè)體間的差異性，但是當(dāng)重復(fù)刺激或任務(wù)表現(xiàn)由于盲法或?qū)W習(xí)效應(yīng)的原因而出現(xiàn)問題時(shí)，參與者之間的設(shè)計(jì)是必要的。內(nèi)部和外部背景因素（例如，一天中的時(shí)間、覺醒）應(yīng)盡可能在條件之間保持可比性。
[11]防止殘留（carry-over）和預(yù)定（order）效應(yīng)！對(duì)于離線NIBS協(xié)議，控制條件需要在間隔幾天的單獨(dú)療程中進(jìn)行并平衡，以確保先前誘導(dǎo)的突觸可塑性不能系統(tǒng)地與當(dāng)前協(xié)議相互作用。
[12]明智地選擇您的DV！徹底考慮最能反映認(rèn)知功能預(yù)期變化的結(jié)果測(cè)量。單獨(dú)滴定任務(wù)難度，使其性能對(duì)底層計(jì)算的微小干擾變得敏感。
總結(jié)：
本文概述了測(cè)試和解釋認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)中NIBS研究的因果鏈的主要挑戰(zhàn)和潛在陷阱，并為設(shè)計(jì)有效的NIBS實(shí)驗(yàn)提供了指導(dǎo)。未來的一個(gè)研究方向是NIBS與計(jì)算建模和神經(jīng)成像的多方法組合，以繪制神經(jīng)元和網(wǎng)絡(luò)水平的刺激誘導(dǎo)的變化，并將這些變化與認(rèn)知和行為效應(yīng)聯(lián)系起來。為了加深我們對(duì)NIBS方案調(diào)節(jié)作用的理解，未來的研究應(yīng)將目標(biāo)區(qū)域中誘導(dǎo)電場(chǎng)的模擬強(qiáng)度與基于神經(jīng)影像學(xué)的目標(biāo)參與和行為結(jié)果測(cè)量評(píng)估聯(lián)系起來。由于NIBS研究復(fù)雜且耗時(shí)，并且參與者的調(diào)節(jié)效應(yīng)通常很小且變化很大，因此未來的一個(gè)特殊挑戰(zhàn)是包含更大的樣本量以保證足夠的實(shí)驗(yàn)Power。在這里，多中心方法可以為NIBS研究確定有效的范式，這些范式可以提供對(duì)結(jié)構(gòu)——功能因果關(guān)系的進(jìn)一步見解。
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