陳秀文,李富洪,魏魯慶

(1.惠州市第二人民醫(yī)院,惠州 516000;2.江西師范大學(xué)心理學(xué)院,南昌 330022)

1 引言

心率變異性(Heart rate variability,HRV)是指逐次心跳間期的波動(dòng)水平,源自自主神經(jīng)系統(tǒng)對竇房結(jié)的調(diào)控作用,能夠反映交感神經(jīng)和迷走神經(jīng)活動(dòng)的緊張性和均衡性,可以通過計(jì)算逐次心跳間隔時(shí)間的變化來獲取,具有無創(chuàng)、可定量和重復(fù)性強(qiáng)的特點(diǎn)(Sztajzel,2004)。其中,由迷走神經(jīng)調(diào)控的HRV反映了個(gè)體認(rèn)知、情緒和行為的調(diào)節(jié)能力,可以作為自上而下自我調(diào)節(jié)的重要生物學(xué)指標(biāo)(Thayer et al.,2012;Thayer,Hansen et al.,2009)。迷走神經(jīng)系統(tǒng)能夠促進(jìn)機(jī)體由應(yīng)激條件下的非穩(wěn)態(tài)恢復(fù)到穩(wěn)態(tài),反映了自主神經(jīng)調(diào)節(jié)的靈活性,調(diào)節(jié)能力好的個(gè)體能夠根據(jù)環(huán)境需求,快速產(chǎn)生或調(diào)整生理心理狀態(tài),這對個(gè)體的適應(yīng)能力和疾病預(yù)防具有重要意義。

HRV的測量指標(biāo)通常根據(jù)分析方法的不同劃分為時(shí)域指標(biāo)和頻域指標(biāo)兩類。時(shí)域指標(biāo)是對心電圖中逐次竇性心搏間R波到R波之間的時(shí)間間隔(即R-R間期)的變化進(jìn)行分析。常用的時(shí)域指標(biāo)有反映自主神經(jīng)系統(tǒng)總張力的全部正常R-R間期的標(biāo)準(zhǔn)差(standard deviation of the duration of all normal R-R-intervals,SDNN)和反映迷走神經(jīng)張力的全程相鄰R-R間期之差的均方根(root mean square of successive differences,RMSSD)(Saul,1990)。頻域分析法也叫頻譜分析法,它與時(shí)域分析法有相關(guān)性,且能揭示出心率更復(fù)雜的變化規(guī)律(Radespiel-Troger et al.,2003)。常用的頻域指標(biāo)有高頻功率(High-frequency(HF),0.15～0.40Hz),低頻功率(low-frequency(LF),0.04～0.15Hz)和低頻高頻比LF/HF。其中,HRV的高頻功率(HF-HRV)反映迷走神經(jīng)的調(diào)節(jié)作用,低頻功率(LF-HRV)反映交感和迷走神經(jīng)對竇房結(jié)的共同調(diào)節(jié)作用,低高頻功率比(LF/HF-HRV)則反映交感神經(jīng)和迷走神經(jīng)調(diào)控的均衡性(Saul,1990)。本文探討的是由迷走神經(jīng)調(diào)控的HRV,包括RMSSD(時(shí)域)和HF-HRV(頻域)這兩個(gè)指標(biāo),下文描述的HRV,無特殊說明,均指由迷走神經(jīng)調(diào)控的HRV。

認(rèn)知控制指的是將復(fù)雜的認(rèn)知與情緒活動(dòng)加以整合,使其指向特定目標(biāo)的心理功能,也就是在抑制不相關(guān)或不需要的信息的同時(shí),維持激活所需要的信息,以完成目標(biāo)導(dǎo)向行為的心理過程(Miller,2000;Miller &Cohen,2001)。認(rèn)知控制功能由前額葉皮質(zhì)進(jìn)行調(diào)控,例如,外側(cè)前額葉皮質(zhì)和額極支持目標(biāo)導(dǎo)向行為,負(fù)責(zé)任務(wù)相關(guān)信息的提取和選擇,內(nèi)側(cè)前額葉皮質(zhì)與外側(cè)前額葉皮質(zhì)協(xié)同工作,負(fù)責(zé)監(jiān)控正在進(jìn)行的活動(dòng)從而調(diào)節(jié)認(rèn)知控制的過程(Gazzaniga et al.,1998/2011)。

Thayer等人基于神經(jīng)解剖、藥物阻斷和腦影像的研究提出了神經(jīng)內(nèi)臟整合模型(Thayer et al.,2009),該模型指出認(rèn)知調(diào)節(jié)與迷走神經(jīng)調(diào)節(jié)擁有共同的神經(jīng)回路基礎(chǔ),即都受到前額葉-皮層下回路的調(diào)控。不僅如此,前額葉對皮層下結(jié)構(gòu)的抑制作用能夠幫助個(gè)體不斷監(jiān)視外在環(huán)境和恢復(fù)機(jī)體內(nèi)穩(wěn)態(tài),從而對生理和認(rèn)知過程產(chǎn)生適應(yīng)性調(diào)節(jié),HRV可以作為反映生理和認(rèn)知過程整合的重要生物學(xué)指標(biāo)(Thayer &Lane,2009)。根據(jù)此模型,更高的HRV水平與更好的認(rèn)知控制能力相關(guān)(Holzman &Bridgett,2017)。

由于當(dāng)前的研究采用不同的分析方法(時(shí)域指標(biāo)、頻域指標(biāo)等)來計(jì)算HRV值,分析了不同狀態(tài)(例如在休息期間、任務(wù)期間和/或恢復(fù)期間)下的HRV值,使用的研究任務(wù)也不同,導(dǎo)致已有研究結(jié)果并不完全一致(Holzman &Bridgett,2017)。為了進(jìn)一步闡釋迷走神經(jīng)功能在認(rèn)知控制任務(wù)中所扮演的角色及其作用,本文將對反映迷走神經(jīng)活動(dòng)的HRV和認(rèn)知控制的相關(guān)研究進(jìn)行系統(tǒng)地總結(jié)和歸納,得出更為可靠的研究結(jié)論。

2 心率變異性與認(rèn)知控制的相關(guān)關(guān)系

研究發(fā)現(xiàn),與靜息狀態(tài)下HRV值低的個(gè)體相比,靜息HRV值較高的個(gè)體在認(rèn)知控制有關(guān)的任務(wù)(例如stroop和n-back任務(wù))中表現(xiàn)得更好(Holzman &Bridgett,2017;Mahinrad et al.,2016;Zahn et al.,2016)。認(rèn)知控制包括認(rèn)知靈活性(cognitive flexibility)、工作記憶(working Memory,WM)和反應(yīng)抑制(response inhibition)三個(gè)子成分(Miyake et al.,2000),反映著不同的心理過程,本文將從認(rèn)知控制的不同子成分入手,考察認(rèn)知控制和HRV的關(guān)系。

2.1 心率變異性與認(rèn)知靈活性的相關(guān)性

行動(dòng)級聯(lián)(Action Cascading)是一種關(guān)鍵的認(rèn)知控制功能,是指在面對不同的任務(wù)目標(biāo)時(shí)應(yīng)對多種反應(yīng)選項(xiàng)的能力,反映把不同的行動(dòng)按優(yōu)先級排列并串聯(lián)起來的能力(Verbruggen et al,2008)。考察行動(dòng)級聯(lián)的一種研究范式是停止-轉(zhuǎn)換范式(Stop-Change task),該范式與停止信號任務(wù)相似,被試在停止信號出現(xiàn)時(shí)需立即停止當(dāng)前反應(yīng),同時(shí)或經(jīng)過一段時(shí)間的延遲之后切換到另一任務(wù)。該范式能夠考察個(gè)體的抑制能力和迅速切換到不同響應(yīng)的能力(Colzato &Steenbergen,2017)。為了探究反映迷走神經(jīng)活動(dòng)的HRV與動(dòng)作級聯(lián)的關(guān)系,Colzato和Steenbergen(2017)考查了RMSSD值和停止-轉(zhuǎn)換范式的表現(xiàn)是否存在相關(guān)。結(jié)果顯示,高靜息RMSSD值的被試停止-轉(zhuǎn)換任務(wù)的反應(yīng)時(shí)顯著短于低靜息RMSSD值的被試。相關(guān)分析顯示,當(dāng)要求被試停止當(dāng)前任務(wù)并同時(shí)轉(zhuǎn)換到另一任務(wù)時(shí),RMSSD值與反應(yīng)時(shí)成負(fù)相關(guān);當(dāng)停止信號和新的任務(wù)規(guī)則之間存在300ms的延遲時(shí),有負(fù)相關(guān)的趨勢但結(jié)果不顯著。在排除性別、年齡、體重指數(shù)、焦慮水平和壓力水平等因素的影響后,RMSSD值與動(dòng)作級聯(lián)的相關(guān)結(jié)果依然顯著,證實(shí)了被試的認(rèn)知靈活性與HRV水平的高低存在相關(guān)性。除行動(dòng)級聯(lián)外,Colzato等(2018)使用任務(wù)轉(zhuǎn)換范式探討了由迷走神經(jīng)調(diào)控的HRV和任務(wù)轉(zhuǎn)換的關(guān)系。結(jié)果表明在較短的反應(yīng)刺激間隔(RSI=150ms)時(shí),RMSSD值和HF-HRV值越高,轉(zhuǎn)換代價(jià)越小,兩者成負(fù)相關(guān)。研究結(jié)果表明靜息狀態(tài)下由迷走神經(jīng)調(diào)控的HRV的水平可以用來預(yù)測個(gè)體的認(rèn)知靈活性,即HRV值高的個(gè)體,轉(zhuǎn)換代價(jià)更低,認(rèn)知靈活性更好。然而,Alba等(2019)得到了不一致的研究結(jié)果。Alba等人對38名大學(xué)生被試的HRV和認(rèn)知靈活性進(jìn)行探討,發(fā)現(xiàn)靜息HRV(HF-HRV、LF-HRV、RMSSD和SDNN)和認(rèn)知靈活性測試的錯(cuò)誤率呈正相關(guān)。對此,Alba等人認(rèn)為結(jié)果的不一致是由不同的實(shí)驗(yàn)任務(wù)難度引起的,實(shí)驗(yàn)任務(wù)難度越大,涉及的大腦資源越多,從而誘發(fā)更大的心率變異性活動(dòng)。

以往的研究在實(shí)驗(yàn)范式和任務(wù)難度上存在差異,研究間的異質(zhì)性較大,但研究結(jié)果大多支持了Thayer等人提出的神經(jīng)內(nèi)臟整合模型(Thayer et al.,2009;Zahn et al.,2016),即更高的靜息HRV與更好的心理靈活性有關(guān);更高的靜息HRV反映更好的前額葉-皮層下回路的功能,而這個(gè)回路對于維持心理靈活性和適應(yīng)性反應(yīng)十分重要。

2.2 心率變異性與工作記憶的相關(guān)性

Hansen等(2003)首次考察了迷走神經(jīng)張力對工作記憶的影響,研究者根據(jù)基線時(shí)RMSSD的中值將53名男性海員分成高、低HRV兩組,接受工作記憶測試(Working Memory Test,WMT)和持續(xù)操作任務(wù)(Continuous Performance Test,CPT)。結(jié)果顯示,在WMT(2-back任務(wù))中,高靜息HRV組比低靜息HRV組表現(xiàn)出更高的正確率。在涉及執(zhí)行功能的CPT中,高基線HRV組表現(xiàn)出更快的反應(yīng)速度和更高的正確率。這說明更高的HRV與更好的執(zhí)行功能表現(xiàn)存在聯(lián)系。此外,為了研究有氧運(yùn)動(dòng)在HRV與執(zhí)行功能之間是否起調(diào)節(jié)作用,Hansen等(2004)對參加8周訓(xùn)練后繼續(xù)接受有氧運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練和停止有氧運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的兩組男性海員的HRV(HF-HRV值)和執(zhí)行功能(WMT和CPT)進(jìn)行了前后兩次測試。測試前兩組被試的最大耗氧量(maximum oxygen consumption,VO2max)、HF-HRV值以及執(zhí)行功能沒有差異,經(jīng)過4周的接受或停止訓(xùn)練后,停止訓(xùn)練組的VO2max較測試前顯著降低,HF-HRV值顯著低于訓(xùn)練組。對于涉及執(zhí)行功能的CPT任務(wù),接受訓(xùn)練組表現(xiàn)出比訓(xùn)練前更高的正確率和更快的反應(yīng)速度;對于WMT(2-back任務(wù)),訓(xùn)練組在后測時(shí)的正確率顯著高于前測。該實(shí)驗(yàn)支持了由迷走神經(jīng)調(diào)控的HRV與前額葉皮層活動(dòng)之間存在密切聯(lián)系,即更高的HRV反映了更好的前額葉皮層的調(diào)控,可以預(yù)測更好的執(zhí)行功能的表現(xiàn)。

除此之外,不少研究也表明HRV和工作記憶功能之間存在正相關(guān)。例如Gianaros等(2004)發(fā)現(xiàn)HF-HRV的值隨著工作記憶難度的增加而下降,Jennings等(2015)發(fā)現(xiàn)在高加索白人中,倒背數(shù)字記憶廣度任務(wù)的表現(xiàn)和HF-HRV呈正相關(guān),Laborde等(2015)發(fā)現(xiàn)更高的靜息HRV與更好的WMT表現(xiàn)相關(guān)。以上對HRV和工作記憶的研究結(jié)果較為一致,但忽略了性別、年齡和運(yùn)動(dòng)習(xí)慣等因素對二者關(guān)系的影響。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,性別、年齡和運(yùn)動(dòng)習(xí)慣等因素能夠影響個(gè)體的HRV水平(Forte et al.,2019;Laborde et al.,2017;Stenfors et al.,2016)。因此,未來的研究可以進(jìn)一步考察這些因素是如何影響HRV與工作記憶的關(guān)系。

2.3 心率變異性與反應(yīng)抑制的相關(guān)性

反映迷走神經(jīng)活動(dòng)的HRV與反應(yīng)抑制的關(guān)系在Jennings等(2015)的研究中得到證實(shí),在363名高加索白人中,個(gè)體的靜息HF-HRV值越大,在完成stroop任務(wù)過程中的干擾效應(yīng)越小,而在70名非洲裔美國人中,沒有發(fā)現(xiàn)顯著相關(guān)的結(jié)果,在總樣本中,HF-HRV和stroop任務(wù)呈正相關(guān)。此外,Alderman和Olson(2014)對56名健康大學(xué)生被試進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)任務(wù)態(tài)的HF-HRV和修訂的flanker任務(wù)的反應(yīng)時(shí)呈負(fù)相關(guān)。Williams等(2016)探討了104名健康年輕被試的靜息HRV(RMSSD和HF-HRV)和修訂的flanker任務(wù)表現(xiàn)的關(guān)系。在這篇文章中,考察認(rèn)知功能的指標(biāo)為個(gè)體反應(yīng)時(shí)變異性(intraindividual reaction time variability,IIV),IIV指的是試次間反應(yīng)時(shí)的變異性,能夠反映注意的缺陷和認(rèn)知功能的水平。由于使用的任務(wù)較為簡單,靜息HF-HRV和修訂的flanker任務(wù)的反應(yīng)時(shí)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),正確率呈現(xiàn)正相關(guān),但結(jié)果不顯著。IIV和靜息HF-HRV存在中等的相關(guān)性,這表明低靜息HRV的個(gè)體存在任務(wù)表現(xiàn)不穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)。

當(dāng)前對于HRV和反應(yīng)抑制關(guān)系的研究結(jié)果表明二者存在正相關(guān)關(guān)系(Zahn et al.,2016),支持了神經(jīng)內(nèi)臟整合模型的觀點(diǎn)。Jennings等(2015)報(bào)道了HRV和反應(yīng)抑制的關(guān)系存在種族差異,但類似的研究較少。不僅如此,當(dāng)前的研究結(jié)論大多針對歐美國家的白人群體,缺乏中國本土化的研究。因此,種族差異對HRV與認(rèn)知控制功能的影響還有待進(jìn)一步探討。

3 心率變異性與認(rèn)知控制的相互影響

研究者在證實(shí)HRV和認(rèn)知控制存在相關(guān)關(guān)系以后,利用HRV生物反饋訓(xùn)練、經(jīng)皮迷走神經(jīng)刺激(Transcutaneous Vagus Nerve Stimulation,tVNS)技術(shù)和認(rèn)知訓(xùn)練進(jìn)一步揭示了二者之間的相互作用。HRV生物反饋訓(xùn)練通常是讓被試以約10秒一次呼吸的速度進(jìn)行呼吸,這個(gè)0.1Hz的呼吸頻率被稱為共振呼吸頻率(Mather &Thayer,2018),能夠引起心率在特別高的振幅下振蕩,從而提高HRV(Lehrer et al.,2013)。近年來,tVNS技術(shù)逐漸受到研究者的關(guān)注,它是一種通過電刺激位于聲道內(nèi)側(cè)的傳入性迷走神經(jīng)耳支,從而引起迷走神經(jīng)激活。研究證實(shí)tVNS技術(shù)能夠有效地提高迷走神經(jīng)調(diào)控的HRV(Clancy et al.,2014),更為直接地對迷走神經(jīng)及相關(guān)的認(rèn)知功能之間的關(guān)系做出推論。此外,進(jìn)行定期的工作記憶刷新訓(xùn)練也能夠改變HRV水平,并對心理過程產(chǎn)生影響(Xiu et al.,2016)。

HRV生物反饋訓(xùn)練可用于調(diào)節(jié)被試的HRV水平,從而影響其認(rèn)知表現(xiàn)。Prinsloo等(2011)考察了10分鐘的HRV生物反饋訓(xùn)練對于應(yīng)激條件下認(rèn)知表現(xiàn)的影響。18名健康男性被試被隨機(jī)分配到生物反饋訓(xùn)練組和控制組,并在干預(yù)前后各完成一次修訂的stroop任務(wù),該任務(wù)要求被試完成stroop任務(wù)的同時(shí)記住穿插在任務(wù)中出現(xiàn)的方塊的個(gè)數(shù),能夠同時(shí)考察執(zhí)行功能的三個(gè)子成分,即工作記憶更新、心理設(shè)置的切換以及抑制控制。結(jié)果表明10分鐘的HRV生物反饋訓(xùn)練能夠有效提高被試的認(rèn)知表現(xiàn)。生物反饋組在干預(yù)后,對stroop任務(wù)的反應(yīng)時(shí)下降,計(jì)數(shù)方塊時(shí)錯(cuò)誤更少,說明被試的執(zhí)行功能得到提升,并且生物反饋訓(xùn)練組的被試比控制組感到更加的放松。另外,Wahab等(2013)對電子制造業(yè)的操作人員進(jìn)行為期5周的HRV生物反饋訓(xùn)練,結(jié)果顯示該類人員的HRV水平、注意和記憶能力較干預(yù)前顯著提高(Sutarto et al.,2013)。一項(xiàng)針對籃球運(yùn)動(dòng)員的研究同樣顯示,連續(xù)10天的HRV生物反饋干預(yù)使得運(yùn)動(dòng)員的焦慮水平降低、HRV水平和籃球運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)提高(Paul &Garg,2012),這說明HRV生物反饋訓(xùn)練在調(diào)節(jié)情緒和認(rèn)知功能方面有較好的效果。將HRV生物反饋、正念和體育鍛煉三種干預(yù)方式進(jìn)行對比,結(jié)果顯示三者都能有效提高被試的注意力和執(zhí)行功能,并且在干預(yù)效果上不存在差異(de Bruin et al.,2016),提供進(jìn)一步的證據(jù)支持HRV生物反饋訓(xùn)練能夠有效改善個(gè)體的認(rèn)知功能表現(xiàn)。

tVNS技術(shù)相較于HRV生物反饋訓(xùn)練,能夠更為直接地刺激迷走神經(jīng),改變個(gè)體的HRV水平,進(jìn)而對其認(rèn)知控制能力產(chǎn)生影響。Steenbergen等(2015)考察了即時(shí)的tVNS刺激對動(dòng)作級聯(lián)的影響。15名健康大學(xué)生被試在執(zhí)行停止-轉(zhuǎn)換任務(wù)的同時(shí),接受30秒tVNS刺激和30秒休息的交替干預(yù),另外15名被試則接受虛假的tVNS刺激。結(jié)果顯示,在需要停止反應(yīng)并轉(zhuǎn)換到另一任務(wù)時(shí),真實(shí)刺激組被試的反應(yīng)時(shí)顯著快于虛假刺激組,該研究表明tVNS刺激技術(shù)通過提高個(gè)體的HRV水平,增強(qiáng)被試在動(dòng)作級聯(lián)過程中的反應(yīng)選擇能力和迅速切換到不同響應(yīng)的功能。在一項(xiàng)使用西蒙任務(wù)(Simon task)的研究中,相較于虛假刺激,tVNS刺激使沖突效應(yīng)減弱,表明tVNS技術(shù)能夠增強(qiáng)沖突觸發(fā)的認(rèn)知控制調(diào)節(jié)(Fischer et al.,2018)。此外,一項(xiàng)針對健康老年被試進(jìn)行的研究顯示,與虛假刺激相比,tVNS刺激條件下被試的聯(lián)想記憶任務(wù)表現(xiàn)更好(Jacobs et al.,2015)。以上研究結(jié)果證實(shí)tVNS刺激技術(shù)通過提高迷走神經(jīng)活性,從而影響被試的認(rèn)知功能。

此外,認(rèn)知訓(xùn)練同樣能夠提高被試的HRV水平。彭婉晴等(2019)考察了為期20天的工作記憶刷新訓(xùn)練對抑郁傾向大學(xué)生情緒調(diào)節(jié)能力的影響。他們將40名抑郁傾向的大學(xué)生被試分成兩組,一組被試接受一段時(shí)間的工作記憶刷新訓(xùn)練,另一組作為抑郁傾向控制組,20名健康大學(xué)生作為健康對照組。比較三組在前后測時(shí)的工作記憶刷新功能、情緒調(diào)節(jié)任務(wù)的得分以及HRV水平(HF-HRV)。結(jié)果表明,前測時(shí)抑郁傾向個(gè)體的HF-HRV值顯著低于健康個(gè)體的平均水平,經(jīng)過工作記憶訓(xùn)練后,抑郁傾向訓(xùn)練組在情緒調(diào)節(jié)任務(wù)中的HF-HRV值有顯著的提高。該研究表明,工作記憶刷新訓(xùn)練提高了抑郁傾向大學(xué)生的HRV水平和情緒調(diào)節(jié)能力。不僅如此,工作記憶刷新訓(xùn)練被用于考察對健康大學(xué)生被試迷走神經(jīng)功能的影響,研究結(jié)果顯示為期20天的工作記憶刷新訓(xùn)練使被試在工作記憶任務(wù)中的反應(yīng)時(shí)減少,HF-HRV值較干預(yù)前顯著上升(Xiu et al.,2016)。另外,在一項(xiàng)使用加工速度和注意力(processing speed and attention,PS/A)訓(xùn)練干預(yù)老年人認(rèn)知功能的研究中,被試在經(jīng)過6周的PS/A訓(xùn)練之后,PS/A任務(wù)的表現(xiàn)和HF-HRV值顯著提高(Lin et al.,2020)。上述研究結(jié)果支持了認(rèn)知訓(xùn)練對于提高個(gè)體HRV水平的有效性,進(jìn)一步揭示了HRV和認(rèn)知控制之間存在相互影響。

以上研究利用生物反饋訓(xùn)練、tVNS技術(shù)和認(rèn)知訓(xùn)練證實(shí)了HRV和認(rèn)知控制之間存在相互影響。然而,目前多數(shù)研究只關(guān)注這些干預(yù)訓(xùn)練技術(shù)改善迷走神經(jīng)調(diào)節(jié)和認(rèn)知控制能力在生理和行為上的效應(yīng),并未探明相應(yīng)的神經(jīng)可塑性機(jī)制。未來的研究可以基于磁共振成像技術(shù)(magnetic resonance imaging,MRI),如功能MRI(functional MRI,fMRI)和結(jié)構(gòu)MRI,以及腦連接分析方法進(jìn)一步闡釋隱藏在這些干預(yù)訓(xùn)練技術(shù)背后的神經(jīng)重塑機(jī)理。

4 心率變異性與認(rèn)知控制的神經(jīng)基礎(chǔ)

HRV和認(rèn)知控制存在正相關(guān)關(guān)系和相互影響的作用,可能是由于二者都受到來自前額葉-皮層下回路的調(diào)控。為了驗(yàn)證這一觀點(diǎn),研究者使用腦成像技術(shù),如正電子發(fā)射斷層掃描(Positron Emission Computed Tomography,PET)、fMRI和腦電(EEG)探究HRV和認(rèn)知控制的神經(jīng)基礎(chǔ)。

Gianaros等(2004)利用PET在一系列難度增加的工作記憶任務(wù)中,獲取了93名(年齡在50-70歲)被試的區(qū)域腦血流(Regional Cerebral Blood Flow,rCBF),并探討了rCBF和HF-HRV的關(guān)系。研究結(jié)果顯示隨著任務(wù)難度的增加,HF-HRV值降低,這說明反映迷走神經(jīng)活動(dòng)的HRV與工作記憶的難度之間存在負(fù)相關(guān)。此外,HF-HRV與工作記憶任務(wù)誘發(fā)的內(nèi)側(cè)前額葉皮層、島葉、前扣帶、杏仁核-海馬復(fù)合體的rCBF變化呈正相關(guān),和小腦的rCBF變化呈負(fù)相關(guān)。同樣地,Lane等(2009)在一項(xiàng)PET研究中觀察到工作記憶和注意維持誘發(fā)的rCBF與HF-HRV在背外側(cè)前額葉皮層和右下額葉皮質(zhì)呈正相關(guān)。另外,Jennings等(2015)使用靜息態(tài)的動(dòng)脈自旋標(biāo)記MRI掃描,在440人的大樣本研究中探討執(zhí)行功能與HF-HRV之間是否存在相同的腦區(qū)關(guān)聯(lián)。結(jié)果顯示,在7項(xiàng)關(guān)于執(zhí)行功能的神經(jīng)心理學(xué)測試中,只有個(gè)別測試結(jié)果同時(shí)與HF-HRV及相關(guān)腦區(qū)有聯(lián)系,即倒背數(shù)字記憶廣度任務(wù)表現(xiàn)和HF-HRV與右側(cè)內(nèi)側(cè)前額葉的CBF呈負(fù)相關(guān);stroop任務(wù)的表現(xiàn)和HF-HRV與殼核的CBF呈負(fù)相關(guān)。然而在區(qū)分高加索白人和非洲裔美國人后,這些結(jié)果都不顯著,該研究證實(shí)認(rèn)知控制與HRV之間的關(guān)系可能存在種族差異。上述研究結(jié)果表明個(gè)體的認(rèn)知控制任務(wù)表現(xiàn)和迷走神經(jīng)功能可能與前額葉皮質(zhì)和皮下區(qū)域腦血流的變化有關(guān)。

除腦血流外,研究者利用fMRI技術(shù)探討了認(rèn)知控制任務(wù)表現(xiàn)、HRV水平和腦激活三者之間的關(guān)系。例如Matthews等(2004)利用fMRI考察了前扣帶的功能分區(qū)與自主神經(jīng)系統(tǒng)功能的關(guān)系。在18名健康被試中,左側(cè)背側(cè)前扣帶(dorsal anterior cingulate cortex,dACC)參與抑制功能(stroop任務(wù)干擾效應(yīng)),而HF-HRV與左側(cè)腹側(cè)前扣帶的激活呈正相關(guān)(ventralanterior cingulate cortex,vACC)。該結(jié)果支持了前扣帶皮層功能分區(qū)的觀點(diǎn),說明前扣帶的腹側(cè)部分在副交感神經(jīng)的調(diào)節(jié)中可能起著重要作用。Neumann等(2006)基于fMRI考察了HRV和反應(yīng)抑制的神經(jīng)關(guān)聯(lián),結(jié)果顯示被試在完成Go/NoGo任務(wù)時(shí),HF-HRV的值與雙側(cè)尾狀核的激活呈正相關(guān),與右側(cè)額葉皮層的激活呈負(fù)相關(guān)。類似地,Critchley等(2003)對6名健康被試進(jìn)行的任務(wù)態(tài)fMRI掃描,研究結(jié)果顯示被試進(jìn)行工作記憶(n-back)任務(wù)和等長運(yùn)動(dòng)時(shí),HF-HRV和dACC、內(nèi)側(cè)OFC、腦島及下丘腦的激活呈正相關(guān)。在一項(xiàng)使用持續(xù)操作任務(wù)(CPT)的fMRI研究中,CPT任務(wù)引起了RMSSD值的降低,并且伴隨著vmPFC、ACC、額下回和島葉等腦區(qū)的激活減弱(Iacovella et al.,2018)。以上神經(jīng)成像的研究結(jié)果顯示HRV和認(rèn)知控制的關(guān)系主要受到前額葉皮質(zhì)和杏仁核等皮層下結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)。

另一種時(shí)間精度更高的EEG技術(shù)在認(rèn)知控制和HRV神經(jīng)關(guān)聯(lián)的研究中卻非常少見。據(jù)我們所知,目前僅有一篇外文文獻(xiàn)報(bào)道了認(rèn)知控制任務(wù)表現(xiàn)、HRV水平和EEG指標(biāo)三者之間的關(guān)系。Alba等(2019)對于靜息態(tài)HRV、EEG功能連接變異性(electroencephalography functional connectivity variability)和認(rèn)知靈活性之間的關(guān)系進(jìn)行了探討,發(fā)現(xiàn)三者之間均存在顯著相關(guān)。偏相關(guān)結(jié)果顯示在去除EEG功能連接變異性的影響后,HRV和認(rèn)知靈活性之間的相關(guān)性變得不顯著;回歸分析也顯示EEG功能連接變異性在最大程度上解釋了認(rèn)知靈活性的變異。這個(gè)結(jié)果說明HRV和認(rèn)知靈活性之間的關(guān)系受到EEG功能連接變異性的調(diào)控,即HRV與認(rèn)知靈活性的關(guān)系由二者共同的神經(jīng)基礎(chǔ)決定。由于EEG時(shí)間精度高、實(shí)驗(yàn)環(huán)境相對開放,且能夠更精準(zhǔn)地描繪大腦電生理活動(dòng)隨著HRV值和實(shí)驗(yàn)任務(wù)的動(dòng)態(tài)變化,未來的研究可利用此種技術(shù)手段進(jìn)一步探討認(rèn)知控制任務(wù)表現(xiàn)、迷走神經(jīng)功能和大腦電生理活動(dòng)三者之間的關(guān)系。

以上研究表明,HRV與認(rèn)知控制存在共同的神經(jīng)基礎(chǔ)。迷走神經(jīng)功能的調(diào)節(jié)主要依靠中樞自主網(wǎng)絡(luò)(Central Autonomic Network,CAN)(Benarroch,1993)。CAN是內(nèi)部調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一個(gè)完整的組成部分,大腦通過這個(gè)系統(tǒng)控制著內(nèi)臟運(yùn)動(dòng)、神經(jīng)內(nèi)分泌和行為反應(yīng),而這些反應(yīng)對于目標(biāo)導(dǎo)向行為、適應(yīng)性和健康都是非常重要的(Thayer et al.,2012)。CAN在皮層與皮層下結(jié)構(gòu)之間起到相互聯(lián)系與整合的作用,連接了負(fù)責(zé)自主神經(jīng)功能和高級認(rèn)知功能相關(guān)的腦區(qū)。CAN活動(dòng)的變化可以反映HRV水平的改變。前額葉-皮層下回路是CAN的核心成分,HRV水平的變化受到該回路的調(diào)控(Sklerov et al.,2019;Thayer &Lane,2009)。對于認(rèn)知控制而言,前額葉-皮層下回路的功能同樣重要,該回路的更強(qiáng)連通性與認(rèn)知控制能力的提高相關(guān)(Miller &Cohen,2001)。

5 總結(jié)與展望

為了盡可能保證研究對象和方法的同質(zhì)性,本研究綜述只關(guān)注了對于健康被試進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室研究,HRV的測量為時(shí)域或頻域指標(biāo)。但是在伯格斯的多層迷走神經(jīng)理論(Porges,2007)下的研究多使用呼吸性竇性心律不齊(respiratory sinus arrhythmia,RSA)這一指標(biāo)。然而,有研究表明RSA容易受呼吸狀態(tài)和非平穩(wěn)性的影響(Lewis et al.,2012)。另外,由歐洲心臟病學(xué)會和北美心臟起搏與電生理學(xué)會制定的心電工作指南(Thayer et al.,2012)強(qiáng)調(diào)了時(shí)域和頻域指標(biāo)的應(yīng)用,因此本篇綜述沒有納入關(guān)于RSA的研究。當(dāng)前對于HRV和認(rèn)知控制的研究大多支持了神經(jīng)內(nèi)臟整合模型的觀點(diǎn),認(rèn)為由迷走神經(jīng)調(diào)控的HRV可以反映大腦前額葉皮層的活動(dòng)特性,從而可以預(yù)測認(rèn)知控制的能力。這對于提高認(rèn)知能力或是預(yù)防認(rèn)知能力下降具有一定的啟示作用,可以試圖通過定期的有氧運(yùn)動(dòng)、共振呼吸訓(xùn)練或tVNS技術(shù)來提高個(gè)體的HRV水平,從而提高或維持認(rèn)知能力。

在以往的研究中,由于不同研究間的異質(zhì)性較大,得出的結(jié)論并不完全統(tǒng)一。為了更好地闡釋迷走神經(jīng)功能在認(rèn)知控制任務(wù)中所扮演的角色及其作用,得出更為可靠的研究結(jié)論,未來的研究可以從以下幾個(gè)方面著手,進(jìn)一步探討HRV和認(rèn)知控制的關(guān)系。

第一,提高HRV和認(rèn)知控制的測量標(biāo)準(zhǔn)。在探討認(rèn)知控制和迷走神經(jīng)功能的相關(guān)性時(shí),以往研究對于實(shí)驗(yàn)中無關(guān)變量的控制存在很大偏差。首先,與HRV有關(guān)的影響因素包括測量指標(biāo)和狀態(tài)不統(tǒng)一,使用的采集儀器和對被試的要求(采集前是否有休息,采集時(shí)的姿勢和狀態(tài)等)不同。研究表明HRV的時(shí)域和頻域指標(biāo)都能夠可靠的反映自主神經(jīng)系統(tǒng)的功能(Radespiel-Troger et al.,2003),在一些研究中卻顯示這兩類指標(biāo)得到結(jié)果并不一致,其中的原因可能有:不同心電采集設(shè)備的使用,不同的變量操縱,以及不同的被試特征等。對于HRV指標(biāo)的采集可以參考?xì)W洲心臟病學(xué)會制定的工作指南,例如固定的心電圖采集設(shè)備,測量靜息HRV之前先讓被試休息5分鐘,測量的時(shí)間最好在5分鐘以上等(Laborde et al.,2017)。另一方面,對于認(rèn)知控制的測量,不同研究采用的研究范式不一致,其反映的認(rèn)知成分也不一樣,基于不同的認(rèn)知成分進(jìn)一步闡釋各個(gè)子成分(如認(rèn)知靈活性、抑制控制和工作記憶)和HRV的相關(guān)性,有助于完善當(dāng)前對認(rèn)知控制和迷走神經(jīng)功能關(guān)系的研究。對于被試特征,一部分研究使用了較小的樣本量,人口統(tǒng)計(jì)學(xué)方面的影響很難消除。綜上,未來的研究需要更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)和變量操控,保證足夠的樣本量大小,充分報(bào)告人口統(tǒng)計(jì)學(xué)特征,并盡可能排除這些變量的影響,從而對HRV與認(rèn)知控制兩者的關(guān)系得出更穩(wěn)定的結(jié)論。

第二,深入探究混淆變量對HRV和認(rèn)知控制關(guān)系的調(diào)節(jié)作用。雖然有研究表明HRV與認(rèn)知控制的相關(guān)性在不同種族(如:白人群體和非洲裔群體)之間存在差異,但類似的研究還很少。先前的研究主要探討了HRV和抑制控制及工作記憶任務(wù)表現(xiàn)的相關(guān)性在白人和非洲裔群體之間存在差異(Jennings et al.,2015),但并未涉及種族差異對HRV與認(rèn)知靈活性相關(guān)關(guān)系的影響。不僅如此,當(dāng)前發(fā)表的研究大多基于歐美國家的人群,其結(jié)論難以推廣到其他國家和地區(qū),在中國更是缺少本土化的研究。另外,年齡、性別和運(yùn)動(dòng)習(xí)慣等因素能夠影響個(gè)體的HRV水平(Forte et al.,2019;Luft et al.,2009;Stenfors et al.,2016),但少有研究探討這些因素對HRV和認(rèn)知控制相關(guān)性的影響。綜上,未來的研究可以進(jìn)一步考察種族、年齡、性別和運(yùn)動(dòng)習(xí)慣等因素對二者關(guān)系產(chǎn)生的影響;另外,可以利用神經(jīng)影像技術(shù)來探究這些混淆因素如何對HRV和認(rèn)知控制產(chǎn)生影響。

第三,深入研究HRV與認(rèn)知控制的神經(jīng)重塑機(jī)理。目前的研究大多從相關(guān)角度對HRV與認(rèn)知控制的關(guān)系進(jìn)行探討,對于二者之間的相互作用的研究較少。根據(jù)Claude Bernard的心腦連接理論,心臟和大腦之間存在相互影響的,因此HRV和認(rèn)知能力存在相互影響(Thayer &Lane,2009)?，F(xiàn)有的工作記憶刷新訓(xùn)練(彭婉晴 等,2019)和tVNS研究(Clancy et al.,2014;Steenbergen et al.,2015)已經(jīng)支持了這一觀點(diǎn)。但仍需要更確切的研究去探討認(rèn)知控制和HRV之間的相互作用。未來的研究可以結(jié)合認(rèn)知訓(xùn)練和HRV干預(yù)技術(shù)(如tVNS技術(shù)或HRV生物反饋訓(xùn)練)探討個(gè)體在接受干預(yù)訓(xùn)練前、后迷走神經(jīng)功能和認(rèn)知調(diào)節(jié)能力的變化,以考查干預(yù)訓(xùn)練的行為學(xué)效果,并追蹤它的長期穩(wěn)定效應(yīng)。不僅如此,研究者還可以利用多模態(tài)的腦成像技術(shù),如fMRI、結(jié)構(gòu)MRI、功能性近紅外光譜(functional near-infrared spectroscopy,fNIRS)和EEG等技術(shù),結(jié)合腦連接分析方法,進(jìn)一步闡釋隱藏在干預(yù)訓(xùn)練技術(shù)背后的神經(jīng)可塑性機(jī)制。