认知控制是将运动和感知系统导向抽象目标的能力。众所周知，与运动活动相关的beta频段(13 ~ 30 Hz)和视觉处理相关的gamma频段(>30 Hz)的高频神经振荡是由认知控制信号调节的。认知控制的一种机制是通过交叉频率耦合，即前额叶皮层(2-3Hz和4-8Hz)的低频网络振荡引导动作规划中的运动相关活动的表达，并引导记忆提取中的知觉相关活动。然而，在认知控制的这些可分离成分中，没有因果证据表明交叉频率耦合。为了解决这一问题，我们在执行一项任务的过程中给以交叉频率经颅直流电刺激(cross-frequency transcranial alternating current stimulation, CF-tACS)，该任务在两个维度上操纵认知控制需求：增加delta-beta耦合的任务抽象规则(嵌套的动作选择水平)和增加theta-gamma耦合的规则数量(记忆中保存的集合大小)。正如假设的那样，我们发现CF-tACS增加了目标相位-幅度耦合，并调节相关认知控制成分的任务表现。这些发现表明，前额叶皮层通过两种不同的交叉频率耦合模式来协调认知控制的不同组成部分。本研究发表在Progress in Neurobiology杂志。（可添加微信号siyingyxf或18983979082获取原文及补充材料）。思想和行动通过认知控制被导向内部目标。前额叶皮层在认知控制中起主要作用，并向运动和知觉神经系统提供反馈信号。例如，额叶皮层的头侧-尾侧轴是分级的，大部分尾区执行具体的运动动作，前区参与运动计划、决策和行为监测。随着任务规则抽象程度的增加，前额叶皮层对运动皮层施加了更大的自上而下的控制，以指导行动。此外，前额叶皮层在记忆和注意力过程中对知觉系统施加自上而下的控制。为了使前额叶皮层对运动皮层和感知系统发挥控制作用，前额叶皮层的网络水平活动必须调节后皮层的局部活动。支持区域间信息交流的一个候选机制是神经振荡的相位同步。在这个模型中，典型的运动或感知皮层的局部高频神经活动被典型的前额叶皮层的低频神经振荡所调节，这可以通过交叉频率耦合来实现。一种建议的交叉频率耦合模式是控制与运动相关的beta振荡，该beta振荡在行动计划、行动执行和行动后监测中被调制。beta振荡被认为抑制活动，以维持一个特定的任务集，并且delta振荡可能反映了相关规则的更新或切换。根据假设，协调动作的前额叶控制信号采取的形式是前额叶皮层低频delta振荡和运动皮层beta振荡之间的交叉频率耦合。同样，顶枕皮层的gamma振荡在视觉信息处理、编码和提取的过程中被调节。因此，据此假设，前额叶控制信号采取的是前额叶皮质theta振荡和顶枕皮质gamma振荡耦合的形式协调感知和记忆。虽然有新的证据表明交叉频率耦合在认知控制中起因果作用，但只有少数观察性研究关注交叉频率耦合的几个主题，没有研究在认知控制中研究交叉频率耦合的两个不同主题。经颅交流电刺激(Transcranial alternating current stimulation, tACS)是一种无创脑刺激技术，可用于输出定制波形，模拟内源性相位幅度耦合活动模式。我们招募了一组参与者执行分层认知控制任务，该任务在两个维度上操纵认知控制需求：任务规则的抽象水平和规则数量(集合大小：set-size)。在最初的基线阶段，确定成对峰值相位-幅值耦合频率的EEG位置，并设计个性化波形来模拟这一活动，在随后的阶段中使用。在其余的测试中，参与者在执行分层认知控制任务时接受交叉频率的tACS，包括delta耦合beta，theta耦合gamma，或假刺激组。我们假设，交叉频率tACS将增加目标的相位幅值耦合(用刺激后的block间静息态期间来量化)，delta-beta CF-tACS将调节抽象功能的表现，theta-gamma CF-tACS将调节set-size功能表现。最终分析了23名参与者。参与者在一个分层认知控制范式中执行任务，该范式沿着两个维度操纵认知控制需求：规则的抽象和规则的集合大小。低抽象性的反应任务呈现一个彩色方块，该方块与键盘上特定按钮有记忆关联(图1A)。记得的颜色和按钮的映射数量是set-size（集合大小），从4个增加到8个。高度抽象的维度任务呈现一个有两个物体的彩色方块(图1B)。彩色方块映射到一个特定的特征维度（纹理或形状）。根据所指示的特征维度对物体进行评估，并作出相同或不同的判断。所记得的特征维数就是set-size，并从一个增加到两个。每个任务的set-size被选择，这样在抽象级别之间的行为表现是可比较的。通过双因素重复测量ANOVA对基线表现的分析表明，行为表现受认知控制两个成分的任务要求的影响(图1 C、D)。
图1 分层认知控制范式
基于我们之前的实验，我们期望重复低频波段(delta或theta)和认知控制成分(抽象或集合大小)对前额叶电极(Fz和周围)低频振荡活动振幅的交互作用。双因素重复测量ANOVA揭示了假设的显著交互作用认知控制成分或低频段没有主效应。事后检验显示，抽象的delta振荡大于集合大小，集合大小的theta振荡边缘显著大于抽象。时频分析显示，在刺激开始后，alpha-beta振荡(8-30 Hz)在0.4-1.5s秒显著降低，且是抽象(图2A)和集合大小(图2B)的函数。这两种对比的beta振荡降低，且能通过基于团块的置换检验。此外，我们发现抽象的delta振荡增加(峰值在2−3Hz，0.2-1.4秒) (图2A)，集合大小的theta振荡增加(峰值在2−3Hz, 0.6-1.6秒) (图2 B)，p < 0.05且 k > 1000，但是这些团块没有通过基于置换检验的校正。采用时频分析对低频种子区域和时间窗口进行定位，以进行相位幅值耦合分析。以delta振荡的拓扑图作为抽象的函数，选择中央前额叶皮层(FCz及其周围电极)进行相位幅值耦合分析(图2C)。以theta振荡拓扑图作为集合大小的函数，选择前额叶皮层前部(Fz及其周围电极)(图2D)。感兴趣区域定位确保了前额叶电极低频振荡的存在，从而使任务诱发振荡的相位是可解释的。
图3 分层认知控制中的相位-振幅耦合
为了研究作为抽象和集合大小的函数而增加的耦合模式是否代表了主要耦合模式，运行了低频相位(2-8Hz)和高频振幅(9-58Hz)之间所有任务条件下耦合强度的穷举共模图。从cPFC到rM1 (C4和周围电极)，在下列频率对中发现峰值耦合强度：2.0-15.9 Hz，范围从2−4 Hz到10−25 Hz(图3C)。这一分析表明，从前额叶到运动皮层的delta-beta耦合是频率特异性的，并被增加的抽象规则上调。从aPFC到ParOcc (Pz与中央中线之间的双侧团块)，峰值耦合出现在下列频率对：4.1-58 Hz，并从3Hz扩展到8 Hz和40-58 Hz(图3D)。类似地，这个分析表明从前额叶到顶枕皮质的theta-gamma耦合是频率特异性的，并作为集合大小的函数被上调。这些在基线时得到的感兴趣的耦合区域被用来量化CF-tACS调制相位-幅值耦合的效果。需要因果证据来证实相关发现。经颅交流电刺激(Transcranial alternating current stimulation, tACS)可以给予模拟内源性活动模式的定制电波形。本文设计刺激波形，用于模拟前额叶和后部电极之间的相位-幅值耦合关系。通过对每个参与者的刺激波形进行个体化，刺激的有效性被增强，因为可以通过最小的刺激振幅（即Arnold tongue）实现神经夹带。因此，基线EEG活动用于自定义交叉频率tACS波形(cross-frequency tACS, CF-tACS)。中央前额叶电极(FCz和周围)之间的局部相位-幅值耦合用于定位在高抽象、高集合大小条件下具有峰值delta-beta耦合(相位为2-4Hz，振幅为15-30Hz)的频率对(图4A)，以及在低抽象、高集合大小条件下具有峰值theta-gamma耦合(相位为4-8Hz，振幅为35-59Hz)的频率对(图4B)。每个波形包含一个低频分量，高频分量嵌套在低频波形的峰值处(表1)。
图4 使用交叉频率经颅交流电刺激进行因果研究
表1 个体化刺激频率的描述性统计
在第二、第三和第四阶段，参与者按照随机和平衡的顺序接受delta-beta频率CF-tACS、theta-gamma频率CF-tACS或假刺激(安慰剂)(图4C)。在执行分层认知控制任务时给予CF-tACS。由于假设CF-tACS增加了靶向的相位-幅值耦合，因此在每个任务后都包括了静息态，在刺激过程中EEG干扰较大，因此在休息时量化刺激的后效应。使用3电极蒙太奇，使两个目标电极接受同步刺激。前部电极(4.5×4.5 cm)放置在F4位置的前侧和腹侧，后部电极(4.5×4.5 cm)放置在C4位置的后侧和腹侧(图4D)。返回电极(5×7cm)位于FCz位置上从前到后居中。蒙太奇的选择使得产生的电场以右侧额中回的头侧-尾侧轴为中心，该轴与分层认知控制有关(图4E)。假设CF-tACS在目标频率匹配对内增加相位幅值耦合。为了研究交叉频率耦合是否对认知控制起因果作用而非附加作用，CF-tACS在任务执行过程中以特定频率传递，以调节不同的认知控制过程。假设Delta-beta CF-tACS作为抽象的函数调节行为，theta-gamma CF-tACS作为集合大小的函数调节行为。我们使用三因素重复测量ANCOVA研究了准确率和反应时间，因子为：CF-tACS频率(delta-beta CF-tACS, theta-gamma CF-tACS，或sham)和分层认知控制、抽象(高或低)和集合大小(高或低)。此外，还加入了序列的线性因子。反应时间方面，我们发现了刺激和抽象之间的显著交互(表2)，这是由反应时间增加（delta-beta CF-tACS相比于sham的抽象对比是显著的，p = 0.031）所驱动的(图5A)。刺激和集合大小之间的反应时间没有交互作用(p = .595)。准确率方面，我们发现刺激和集合大小之间的显著交互(p = .017)(表3)，这是由准确率增加（theta-gamma CF-tACS相比于sham的集合大小对比是显著的：p = .007）驱动的(图5 B)。刺激和抽象在准确性上没有交互作用(p = .866)。与我们的假设相反的是，刺激可以提高表现，delta-beta CF-tACS增加反应时间，尽管是针对目标认知控制维度的。总之，这些发现为抽象的delta-beta耦合和集合大小的theta-gamma耦合提供了因果证据。认知控制的不同组成部分的交叉频率耦合的双重分离表明，使用不同频带的控制过程具有类似的机制。
2.6 通过交叉频率tACS对相位-幅值耦合的频率特异性增强在每个任务block之后立即采集睁眼静息态2分钟，以分析刺激对相位-振幅耦合的即时后效应。将刺激后的静息态周期串联起来，并计算感兴趣的局部区域的相位-振幅耦合(phase-amplitude coupling, PAC): cPFC到rM1的delta-beta耦合, aPFC到ParOcc的theta-gamma耦合。假设以相同交叉频率对进行刺激比其他交叉频率对的刺激更大时，PAC在目标频率对下增加。假刺激组的相位-振幅耦合用于先验交互作用分析，基于的假设是：与其他刺激频率相比，delta-beta CF-tACS增加了从cPFC到rM1的delta-beta PAC，而theta-gamma CF-tACS增加了从aPFC到ParOcc的theta-gamma PAC(图5C)。与我们的假设一致，我们发现刺激的交叉频率与PAC交叉频率之间存在显著的交互作用( p = 0.042)。事后检验显示数值一致但不显著的结果，相比于theta-gamma CF-tACS，delta-beta CF-tACS下的delta-beta PAC增加(p = 0.243)，同时相比于delta-beta CF-tACS，theta-gamma CF-tACS下的theta-gamma PAC边缘显著增加(p = 0.055)。为控制任何序列效应，进行了三因素重复测量ANCOVA，研究假设的刺激(delta-beta、theta-gamma或假刺激)和PAC强度(delta-beta、theta-gamma)之间的交互作用，以治疗数为线性控制因子(交互作用: p = 0.063)(表4)。最后，假刺激组delta-beta PAC和theta-gamma PAC之间没有差异(p = .643)。因此，CF-tACS以频率特异性的方式成功地增强了分层认知控制任务中观察到的相位-振幅耦合模式。
CF-tACS可能在其他未被假设的区域增加了相位-振幅耦合。作为探索性分析，研究了CF-tACS对头皮的影响。该分析显示，在cPFC中有delta-相位种子点的情况下，左侧中线与左侧运动电极重叠的电极存在delta-beta耦合显著增加 (图6A)。theta-gamma tACS下delta-beta耦合没有显著增加(图6B)。考虑到delta-beta tACS下作为抽象函数的表现意外下降，delta-beta tACS对相位-振幅耦合的影响也是没有预料到的。刺激下与同源运动皮层耦合的募集表明该网络被重塑。在aPFC中的theta-相位种子点，delta-beta tACS下theta-gamma耦合没有显著增加(图6C)，但右侧顶枕电极的theta-gamma耦合有增加(图6D)。Theta-gamma tACS下theta-gamma PAC的增加与右半球的目标区域一致。
相位-振幅耦合的地形图分析显示，delta-beta tACS后，基线期前额叶电极到右侧运动区电极的跨区域PAC重构到了左侧运动区电极。为了研究运动控制网络被重构的探索性假设，我们分析了CF-tACS是否增加了网络内的低频功能连接。因此，我们在左侧运动皮层(C3)中添加了一个delta频率种子，并研究了运动控制网络(cPFC和rM1感兴趣区)的功能连接是否增加。为了支持这项事后分析，我们发现与假刺激组相比，delta-beta tACS下运动控制网络功能连接显著增加(p = 0.00558)。地形分析显示，delta-频率功能连接的增加在空间上是特定于运动控制网络的(图7A)。作为对照分析，我们没有发现与假刺激组相比，theta-gamma tACS下运动控制网络delta-频率功能连接的显著增加(p = 0.413)(图7B)。与网络重构一致，delta-beta tACS增加了运动控制网络内的功能连接。
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高频振荡在与动作(beta)和知觉(gamma)相关的局部信息处理过程中增加。前额叶皮层通过与后部皮层高频活动的交叉频率耦合提供自上而下的控制信号。我们发现中央前额电极的delta振荡与运动区电极的beta振荡是规则抽象的函数。此外，前额叶前部电极的theta振荡与顶枕电极的gamma振荡是集合大小或规则数量的函数。我们研究了相位-振幅耦合在认知控制中的因果作用，通过给予交叉频率经颅交流电刺激(cross-frequency transcranial alternating current stimulation, CF-tACS)来增强任务驱动的耦合关系。在对每个参与者的交叉频率耦合峰值进行个体化刺激后，我们发现CF-tACS导致目标相位-振幅耦合模式的频率特异性增加。此外，刺激可以调节认知控制特定成分的任务表现。总的来说，这些发现表明一个合理的方法：识别随着不同控制成分增加的相位-振幅耦合，设计刺激以模拟这种活动从而成功驱动这些信号，并验证基于行为的频率特异性调节认知控制不同成分的交叉频率耦合的因果作用。这些发现有助于人们越来越多地认识到两个不同的低频振荡范围。我们的时频分析发现，认知控制的一个成分的delta振荡(2-4Hz)增加，与动作选择所需的抽象增加有关，认知控制的另一成分的theta振荡(4-8Hz)增加，与记忆访问（memory access）增加有关。与本文的分层认知控制任务相似，最近的一个实验使用嵌套规则或直接映射规则，发现通过嵌套规则将峰值频率向较低频率(~4 Hz)移动，而通过直接映射刺激到动作的方式将峰值频率向较高频率(~7 Hz)移动。作者将分析预先限制在4-7 Hz窗口，因此排除了我们分析中发现的2-3 Hz潜在峰值的可能性。尽管如此，认知控制操作和时频结果的相似性提供了补充证据，表明delta和theta振荡之间的区别捕获了与行为相关的神经变化。由于脑电的空间分辨率有限，需要进一步研究前额叶控制信号的空间来源。我们已经确定了三种可能的模型来解释实验中发现的delta和theta振荡之间的区别：(1)灵活的单一控制系统，(2)多路过程，(3)双系统。首先，前额叶皮层delta振荡和theta振荡之间的区别可能被归结为一个能够灵活移动其峰值频率的单一系统，类似于alpha振荡基于任务需求改变峰值频率。第二，delta和theta振荡可能起源于细胞尺度上不同的神经机制。例如，理论上，theta振荡被认为与缓慢的NMDA受体变异的时间常数相协调，从而使突触可塑性的神经机制最大限度地被发生在theta节律附近的神经活动所激活。因此，在任务需求驱动下，delta和theta振荡可能被调谐到不同认知控制成分激活的不同细胞机制。因此，不同的频带可以作为信息交流的标记线路，这些线路不受区域限制，但在功能网络中携带特定的信息。在这个框架下，我们推测了具有感知-记忆相关可塑性的theta节律和具有学习预测误差的delta节律之间的联系。第三，delta和theta振荡可能被分解为对应于前额叶皮层两个不同系统的信号。在双系统模型中，theta波和delta波被分解到前额叶皮层的不同子区域，并调节与两个功能不同的大脑区域网络的连接。双系统可能是默认模式网络中的内侧前额叶皮层和执行控制网络中的外侧前额叶皮层，因此起源于内侧前额叶皮层的theta振荡可能通过与海马的功能连接来反映记忆访问，而来自外侧前额叶皮层的delta振荡可能通过与背侧纹状体的功能连接来反映运动控制。或者，双系统可以分解成背侧注意网络的背侧运动前区的theta振荡和执行控制网络的前中额回的delta振荡，类似于在操纵任务抽象的功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging, fMRI)研究中发现的网络。最后，双系统可能对应于两个记忆网络，基于最近在人类皮层脑电图中分离海马不同亚区低频振荡的工作：后海马约为8Hz(theta)，前海马体约为3Hz(delta)。需要同时进行EEG和fMRI来解决哪个双系统(如果有的话)与delta和theta振荡相关：额顶和默认模式，背侧注意和执行控制，或前部和后部海马网络。与任何科学研究一样，这里介绍的工作也有局限性。目前的研究没有使用高空间分辨率的方法。因此，本研究需要同时使用fMRI来回答空间来源与delta-theta差异之间的假设。此外，虽然我们发现beta振荡集中在运动电极，gamma振荡集中在视觉选择性更强的电极，但没有足够的空间分辨率来做出强有力的断言，即观察到的交叉频率耦合模式确实是前额叶、运动和顶枕皮层特有的。此外，EEG信号在刺激过程中被伪迹干扰，因此我们不能直接从CF-tACS分析夹带。此外，tACS针对各种特定空间和时间模式的神经活动的灵活性，应该激发未来的研究，以调查各种蒙太奇方案的相对重要性。尽管有这种内在的复杂性，这里所呈现的认知控制成分中不同交叉频率耦合的双重分离为额外的优化提供了基础。未来研究可进一步探讨低频刺激与交叉频率刺激的相对贡献。然而，之前一项使用交叉频率tACS的研究在三个实验中研究了各种刺激波形。这些作者发现，虽然低频成分(theta)单独产生了目标行为结果的改善，但交叉频率耦合(theta-gamma)刺激产生了更大幅度的效果。相反，高频成分本身不足以产生行为效应。在我们的解释中，这项研究的结果证明，无需同时研究刺激波形的各个分量，就可以研究交叉频率波形。我们的发现肯定了认知控制成分中相位-振幅耦合的因果作用，但是不应该孤立地得出关于每个振荡的结论。然而，我们根据之前的实验推测，低频分量(delta或theta刺激)会产生与交叉频率波形相似但较弱的影响。虽然出乎意料，但theta-gamma刺激和delta-beta刺激的差异效应可能是theta和gamma与神经元兴奋性相关，而beta通常与神经元抑制有关。当刺激的目标是抑制频带时，大脑可能会做出反应，重新配置。例如，重度抑郁症与左侧前额叶皮层抑制性alpha振荡升高有关，然而早期治疗范式刺激了左侧前额叶皮层的alpha频率。虽然有违直觉，但一些研究人员认为，这种刺激导致了内稳态反弹，通过这种反弹，靶区相对于网络的其他部分正常化了其活动。未来的研究需要探索刺激的后效应在靶向兴奋性和抑制性神经活动时是否有区别。我们建议，为了更好地理解delta-beta tACS下运动控制网络内delta-beta耦合，可以在单向任务中给予刺激：作为规则抽象函数的行为中断可能是对刺激半球对侧手的运动控制所特有的，或者无论有哪只手做出响应，网络都可能重新配置，并且行为表现中断。delta和theta中的控制信号可能分别与beta和gamma振荡的功能有内在联系。对beta和gamma振荡的研究发现，gamma振荡对应于前馈信号，而beta振荡对应于基于层流剖面(laminar profiels)的反馈信号和相关的认知功能。总之，gamma (beta)中的定向信号在人类和非人灵长类动物的视觉层次中自下而上(自上而下)流动。使用节律性经颅磁刺激的研究分别为beta和gamma频段实施自上而下和自下而上注意提供了因果证据。前额叶皮质区delta和theta频段的低频活动可能将与beta和gamma振荡相关的认知过程从局部回路水平扩展到网络水平。24人完成了实验(19名女性，5名男性)，年龄在18-25岁，右利手，视力正常，非色盲。排除了神经或医学疾病、个人精神病史或使用情绪改变药物的患者。本研究中使用的任务改编自之前发表的研究。我们操纵了分层认知控制的两个成分，抽象和集合大小。在反应任务(低抽象条件)中，参与者学习了彩色正方形和按键反应之间的联系(图1A)。反应任务有两个水平的集合大小：低集合大小的条件(四个颜色的方块必须与四个回答相关)和高集合大小的条件(八个不同颜色的方块必须与八个回答选项相关)。在小集合大小的情况下，参与者用双手食指和中指，颜色被映射到“d”，“f”，“j”和“k”键上。在高集合大小的情况下，参与者使用完整的一行，包括“a”、“s”、“l”和“;”以及与之相关的双手无名指和小指。在维度任务(高抽象条件)中，参与者看到一个包含两个物体的彩色正方形。正方形的颜色表明了参与者评估这两个物体的维度(形状或纹理)。重要的是，与反应任务类似，高抽象任务包含两个水平的集合大小：低集合大小的条件仅由一个特征维度组成，高集合大小的条件具有两个特征维度(图1B)。在高抽象、低集合大小条件下，参与者仅沿着一个维度(形状或纹理)做判断(如蓝色或紫色正方形表示参与者必须判断两个物体在纹理上是相同或不同)。在高抽象、高集合大小条件下，纹理和形状这两个特征维度都与两个颜色的正方形相关联(例如，蓝色和紫色表示纹理维度，红色和绿色表示形状维度的知觉判断)。在一个session中，所有低或高集合大小的blocks的彩色方块保持一致。在低集合大小、高抽象情况下，参与者完成一个纹理block和一个形状block，顺序随机。在每个block的开始，参与者被告知哪些颜色的方块将被呈现，以及与之相关联的特征维度。实验在MatLab 2015a的Psychtoolbox中编程实现。在每个session的实验开始之前和每个任务block之后，参与者被要求保持注视一个注视点，保持静止，并睁着眼睛保持两分钟清醒。记录静息期以分析刺激的后效应。在每一session，规则都是随机的，参与者必须学习新的关联。在每个session的练习期间，参与者被要求在进入下一个练习block前得分至少70%。这些任务操作降低了四个实验sessions的学习效果，但有助于确保参与者在开始刺激和EEG记录之前学习新的任务规则。交叉频率经颅交流电刺激(cross-frequency transcranial alternating current stimulation, CF-tACS)的刺激脑区和波形的设计最大限度地靶向右侧外侧前额叶皮层和运动皮层/外侧顶叶皮层之间的内源性相位-振幅耦合。在实验开始前，通过tES LAB 1.0软件计算电场分布。选择的蒙太奇由两个刺激垫组成，分别位于右侧前额叶皮层和右侧运动皮层(图4C)。这两个目标部位接受了来自两个Neuroconn DC Plus刺激器的同相刺激。三个硅碳电极（称为“刺激垫”，以减少与EEG电极的混淆）使用导电膏附着在头皮上。使用国际10-20测量系统对每个刺激垫的放置进行校准。在头皮上绘制C4、F4、Cz和Fz后，将返回刺激垫(5×7 cm)放置在Fz和Cz之间的中点，并以从前到后的方向定向，导线从后引出。然后，将第一个目标刺激垫(4.5×4.5 cm)其中一个角接触F4位置，使其位于F4的前、腹侧，导线从后引出。最后，沿着中心轴(C4到Cz到C3)放置第二个目标刺激垫(4.5×4.5 cm)，使得到FCz刺激垫的距离与FCz和F4刺激垫的距离大致相等。在刺激前，每个刺激-垫对(F4和FCz;C4和FCz)的阻抗保证小于10kΩ。在任务完成之前，刺激一直保持在稳定水平，之后刺激在12秒内逐渐下降。先前文献报道参与者对刺激是敏感的，直到皮肤中的感觉神经元适应刺激。因此，在我们对参与者的说明中，我们解释了一个session是安慰剂，但同时也告诉他们，在刺激开始后，他们会很快适应这种刺激。作为主动控制条件，给予假刺激。对于假刺激组，一个真正的交叉频率波形在最大强度下刺激12秒，然后开始斜坡下降。在假刺激期间的上升和下降是为了模拟刺激中经常体验到的适应感觉。三种刺激条件的顺序是平衡的和随机的。每次刺激结束后，参与者和研究人员都会猜测是否给予了刺激。对于delta-beta CF-tACS, 62.5%的参与者认为接受了刺激，实验者猜测这些sessions的70.8%有刺激。对于theta-gamma CF-tACS, 62.5%的参与者认为接受了刺激，实验者猜测这些sessions的54.2%有刺激。对于假CF-tACS, 62.5%的参与者认为接受了刺激，实验者猜测58.3%的sessions有刺激。因此，我们发现在用刺激和假刺激的情况下报告的置信水平完全没有差异，这表明参与者对刺激的形式是盲目的。在使用theta-gamma CF-tACS的session中，实验者更相信进行了假刺激，而delta-beta CF-tACS对进行假刺激的信心较弱。实验者信念的波动是在随机决策过程中预料到的，假设概率为66.67%。总之，这些数据证明了实验是成功的双盲实验。EEG数据是通过1000Hz的高密度128通道EGI系统采集的。在每个session开始时，每个电极的阻抗都低于50kΩ。在使用tACS的sessions中，在头皮上使用了三个导电刺激垫。Cz电极作为EGI系统的参考电极。使用MATLAB中的EEGLAB工具箱对数据进行预处理。静息态数据的预处理流程与任务数据相同，但有以下例外。首先，提取并连接所有8个任务blocks的数据。我们应用了1Hz的高通滤波器和59Hz的低通滤波器。因此，59Hz为分析gamma频率活动(35 - 59Hz)设置了上限。数据从1000Hz下采样到200Hz。然后使用伪迹子空间重构算法对数据进行清理，以去除高方差信号并重建缺失数据。该算法还标记了噪声通道，然后用邻近通道的球面插值替换这些通道。采用了全脑平均重参考，这是球形电场假设的近似解，该假设是通过使用128通道系统实现的，该系统包括覆盖在脸颊上的电极。提取刺激呈现前1秒和呈现后2秒的数据。基线校正采用-1秒到-0.3秒内的平均值。基于数据矩阵的秩进行主成分分析，利用信息最大独立成分分析优化伪迹剔除的数据。对所有独立成分进行视觉检查，并从数据中去除与线噪声、肌肉活动、眼球运动、眨眼和心跳相关的成分。用于静息态数据预处理的流程与任务态相同，但有以下例外。所有九个静息态期间的数据都被连接起来。首先，对数据进行滤波和下采样。然后，数据被切割成2秒的分段（epoch）。去除噪声过大的epochs，并插值噪声电极。然后进行伪迹子空间重构、平均重参考和独立成分分析剔除成分。【伪迹子空间重构（artifact subspace reconstruction, ASR）：是一种基于成分的自动在线方法，可以有效地去除污染EEG数据的瞬态或大幅度伪影。独立成分分析（ICA）和独立成分分类器可用于从大脑信号中分离出伪影，以定量评估ASR的有效性。最佳ASR参数在20到30之间，在消除非脑信号和保持大脑活动之间取得平衡。ASR可以进行离线数据分析或在线实时EEG应用，如临床监测和脑机接口的自动伪影去除方法。（参考文献：Evaluation of Artifact Subspace Reconstruction for Automatic Artifact Components Removal in Multi-Channel EEG Recordings）】采用Morlet小波进行时频分析，基线校正采用-600到-300ms。相位-振幅耦合的计算思路是，对做完时频变换后的每个试次，提取感兴趣的时间窗内的相位(θ,低频振荡)和振幅(M,高频振荡)，然后重新拼接成一个连续的时间序列(n是时间点的数量)，计算依据如下方程：
对PAC值进行置换检验校正，以至少10%时间序列长度的随机时间偏移在时间上移动振幅值，并计算PAC。重复1000次后，PAC从零分布转换为z分数，得到PACZ。加权相位滞后指数(Weighted phase lag index, wPLI)用于估计特定频率的功能连通性，因为wPLI量化了两个信号具有一致非零相位滞后的程度，这解释了EEG中容积传导引起的零相移滞后连通性的混淆。使用重复测量方差分析(analysis of variance, ANOVA)研究基线时的行为，使用两个因子：抽象(高和低)和集合大小(高和低)。我们假设，作为集合大小的函数，表现会更差(更低的准确性和更大的反应时间)，但作为抽象的函数，表现会更差。为了研究CF-tACS对行为的影响，我们使用三个感兴趣因子和一个控制因子进行协方差分析(ANCOVA)。控制因素(序列)作为一个线性变量运行，以估计在session期间对行为表现的变化，例如随时间累积的练习效果。感兴趣的三个因子是刺激条件(delta-beta, theta-gamma，假刺激)，抽象(高或低)，集合大小(高或低)。在出现显著主效应或与刺激因子的交互作用后，使用事后t检验来确定哪些条件驱动了效应。我们假设delta-beta刺激将作为抽象（不是集合大小）的函数调节表现；theta-gamma刺激将作为集合大小（不是抽象）的函数调节表现。为了研究delta和theta振荡作为认知控制成分的区别，我们使用了两种方法。第一种方法反映了我们之前的研究。对每个参与者的时频数据使用配对t检验进行分析。然后，测试的t-统计数据被用于一个基于团块的置换检验。单个时频点卡到p < 0.05的阈值，每个团块内大于30个时频点保存为最大平均t值，称为团块（mass）。随机置换mass 1000次。mass值的零分布由小到大排序，以第25和975个值作为显著性阈值(p < 0.05)。第二种方法是在前额叶前部电极刺激后0.2至1.6秒内，预先量化delta(2-3Hz)和theta(4-7Hz)振荡的振幅。将这些振幅值进行双因子重复测量ANOVA：低频带(delta或theta)和认知控制成分(抽象对比或集合大小对比)。为了量化CF-tACS促进内源性相位幅值耦合(PAC)的有效性，我们采用了分阶段分析来减少多重比较。首先，峰值delta和theta振荡作为抽象和集合大小的函数被定位在整个头皮上。其次，这个感兴趣区被用作低频振荡相位到头皮高频振荡振幅的种子。计算所有任务条件下基于种子的PAC，并计算高、低认知控制成分的差异。Delta-beta PAC作为抽象的函数，theta-gamma作为集合大小的函数被研究。当至少有4个相邻或同源电极时，显著性为p < 0.05。在重要电极周围绘制感兴趣区，然后进行CF-tACS对耦合强度影响的最终分析。我们假设delta-beta CF-tACS会增加delta-beta PAC，theta-gamma CF-tACS会增加theta-gamma PAC。因此，我们进行了一个双因子重复测量ANCOVA（一个控制因子）。感兴趣的因子是刺激频率对(delta-beta, theta-gamma，假刺激)和测量的频率对(delta-beta或theta-gamma)。序列的线性控制因子被包括在内，以说明随着时间的推移参与实验的任何非特异性影响。我们假设刺激频率对和测量频率对之间存在相互作用。此外，我们假设目标频带增加。因此，使用单个t检验评估假设的交互作用。首先，从目标刺激中减去假刺激tACS期间的相位-振幅耦合。然后，交互作用被定义为delta-beta tACS下（相对于theta-gamma tACS）delta-beta PAC，加上theta-gamma tACS下（相对于delta-beta tACS）theta-gamma PAC。鉴于强大的先验假设和相位振幅耦合不可能是负的这一事实，单侧配对t检验被用来评估假设的交互作用。作为理解刺激效应拓扑分布的探索性分析，我们还使用基线时建立的种子分析了刺激后静息状态下相位-振幅耦合的强度。双尾t检验，并应用至少三个相邻电极的团块阈值。我们假设刺激的效果在被刺激的半球会更强。作为后续探索性分析，我们研究了是否delta-beta tACS下相位-振幅耦合效应的意外模式与运动控制网络(定义为双侧运动皮层和中央前额叶皮层)之间功能连接的增加相一致。基于之前的一项研究发现，CF-tACS增加了低频成分的功能连接，我们研究了相对于假刺激，delta-beta tACS是否增加了delta频率(2 – 3Hz)的功能连接。功能连接通过C3电极与头皮其余部分的种子进行计算，除了C3周围的电极和这些电极周围的电极被移除，因为这些局部电极超出了EEG的空间分辨率。功能连通性(wPLI)计算了每次刺激block后每两分钟的静息期，并将结果值在每次刺激后的周期中取平均值。为了研究运动控制网络内的delta频率功能连通性随刺激的变化，对FCz和周围、C4和周围的值取平均。然后，采用配对t检验来检验delta-beta tACS和假刺激组之间的差异，假设delta-beta tACS的功能连通性比假刺激组更大。作为对照分析，我们假设theta-gamma tACS与假刺激组在功能连接方面没有差异。为了了解这些效应的空间特异性，对delta- beta tACS和theta-gamma tACS(与假刺激组相比)的所有头皮电极进行配对t检验，阈值为p < 0.05，团块阈值为至少三个相邻电极。本文研究了相位-振幅耦合在认知控制中的因果作用，通过给予交叉频率经颅交流电刺激(cross-frequency transcranial alternating current stimulation, CF-tACS)来增强任务驱动的耦合关系。该任务在两个维度上操纵认知控制需求：任务规则的抽象水平和规则数量(集合大小：set-size)。研究发现CF-tACS导致目标频率相位-振幅耦合模式的特异性增加。此外，刺激可以调节认知控制特定成分的任务表现。但是由于脑电的空间分辨率有限，需要进一步研究delta-theta和的beta-gamma耦合信号的空间来源。
