高科技版 “打鸡血”？颈部迷走神经刺激让你34小时保持清醒

2021-07-10 学术头条

最近的一些研究表明，迷走神经刺激或可改善动物和人类的记忆和认知能力，增加人类的神经元可塑性，并增强人类的注意力和决策能力。

撰文：刘芳

编审：王新凯

赶不完的论文，加不完的班，拒绝躺平的你是否还在用咖啡配枸杞来对抗疲劳？

日前，美国 Wright-Patterson 空军基地生物医药研究人员利用颈部经皮迷走神经刺激 (ctVNS) 的原理，让参与实验的受试者保持了 34 小时高度清醒，并在此期间执行了多项模拟任务。具体而言，受试者只需将游戏手柄一样的设备在脖子两侧各按摩几分钟，便可大幅改善在疲劳状态下的认知能力和情绪状态。

该研究以“ Cervical transcutaneous vagal nerve stimulation (ctVNS) improves human cognitive performance under sleep deprivation stress ”为题发表于 Communications biology 期刊上。

（来源：Communications Biology）

咖啡和功能饮料不能满足的需求

对于医护人员、长途卡车司机、士兵和宇航员等需要不停轮班的工作来说，睡眠不足会增加风险，甚至造成致命错误。 此前的研究表明，疲劳会使人反应速度变慢，准确性降低，同时还会影响人的情绪。

该论文的主要作者、国防科技公司 Infscitex 的心理学家 Lindsey McInteal 表示： “疲劳在军队中是一个长期存在的问题。有时候因为环境因素睡不好觉，或者从白班到夜班来回倒班影响生理周期也会让人难以入睡，导致疲劳。” 在日常生活中，人们一般通过摄取咖啡因或功能饮料来对抗疲劳，但这种方法有很多副作用。

Lindsey McInteal 认为，咖啡因和功能饮料的功效通常只持续几个小时，而且会让人感到焦虑。那么，怎样才能在不喝咖啡和功能饮料的情况下保持长时间 “打鸡血” 状态，高效执行多重任务呢？

带着这个疑问，NASA 带领美国空军展开了一项实验，尝试利用颈部迷走神经刺激（ctVNS）原理来抵抗疲劳产生的负面影响。

（来源：Pixabay）

在实验期间，研究人员进行了 9 次测试，以考察受试者保持警觉和同时处理多项任务的能力。

结果发现，接受了 ctVNS 的受试者在保持注意力和执行多项任务方面更胜一筹，同时他们的主观感受也更优。在接受刺激后的 12 小时，ctVNS 的抗疲劳功效达到顶峰，受试者的超强警觉性可持续长达 19 小时。实验结束后的追踪调查也表明，该设备对受试者的睡眠质量或睡眠时间没有明显影响。

这是科研人员首次在健康人中利用 ctVNS 原理来增强人们的认知表现。 更重要的是，实验中所使用的设备是已经获得 FDA 批准的偏头痛治疗仪，因此可以在市场上购得。

Lindsey McInteal 表示： “它便携易操作，效果比咖啡因要持久得多。参与人员不仅体验到了抗疲劳方面的功能改善，而且总体感觉更好。”

值得说明的是，目前还没有证据表明这种技术可能会导致上瘾行为。不过出于谨慎，研究团队认为应该有一个每天进行 ctVNS 时长的指导方针。

图 | 正在接受 ctVNS 治疗的受试者

通过颈部迷走神经激活大脑

对人类来说，保持清醒并提高警觉性的一种方式是刺激大脑中一个叫做蓝斑核 (locus coeruleus, LC) 的区域。这个神经核团位于脑干中，支配着整个中枢神经系统。而且它产生的去甲肾上腺素对脑的大多部位具有兴奋性作用，从而加强觉醒状态，并预备脑的神经元对未来刺激的响应。

在早期的实验中，经颅直流电刺激（transcranial direct current stimulation，tDCS）已经被证明可以激发蓝斑核，从而改善癫痫、老年痴呆和抑郁症的相关症状。

但是经颅直流电刺激需要在医院专业条件下进行，对地点有着很大的限制。更重要的是，经颅直流电刺激必须先通过头顶皮肤、肌肉、头骨 (绝缘体) 和脑脊液才能到达大脑。然后，电流还要通过大脑皮质和皮质下组织传输很长一段距离才能达到脑干内的蓝斑核部位。换言之，目前的经颅直流电刺激技术还不能做到随时随地快速为人类充电。因此，Infscitex 的研究团队便想到了是否可以利用颈部迷走神经来刺激蓝斑核，达到抗疲劳的效果。

在这次实验之前，ctVNS 是否会激活蓝斑核 --- 去甲肾上腺素通路（LC-NE）还是一个未知数。事实上，ctVNS 作为 FDA 批准的治疗癫痫和抑郁症手段已有二十多年的历史了。作为周围神经系统的一部分，迷走神经系统在颈部和耳部有着密集的分布，并和蓝斑核有着传入神经连接（afferent connections）。

最近的一些研究表明，迷走神经刺激或可改善动物和人类的记忆和认知能力，增加人类的神经元可塑性，并增强人类的注意力和决策能力。

图 | 接受刺激和对照组的疲劳感 / 情绪对比图

34 小时不睡觉实验

为了验证颈部 ctVNS 的功效，研究团队在 Wright-Patterson 空军基地召集了 40 名现役的空军人员。其中 33 名为男性，7 名为女性。他们经过了严格的健康筛查，被随机分为了两组（刺激组和对照组）。

实验开始的当天，受试者被要求在早七点前起床，并在下午三点半之前到实验室报到。 在实验期间，他们不能打盹，也不能摄入任何咖啡因或改变中枢神经系统的药物。在下午四点准备就绪以后，受试者分别完成了注意力以及情绪的各种基线测试，包括 Mackworth 时钟试验、N-back、PVT、AF-MATB 和情绪问卷等。

到五点半时，受试者有一个半小时的休息时间做任何自己喜欢做的事，他们可以看电影，吃饭，打牌。晚上七点整，二十名受试者手持名为 gammaCore® 的设备对自己进行了 ctVNS。值得注意的是，gammaCore® 已经获得 FDA 批准用来治疗难治性偏头痛，它可以通过皮肤将频率为 25 Hz 的电流直接传递到迷走神经。

在实验中，受试者先将 gammaCore® 放置左侧颈按摩两分钟，这时设备会自动停止两分钟，然后受试者再把在 gammaCore® 放到右侧颈部进行同样的按摩。

对照组受试者使用的是和 gammaCore® 外形一模一样的设备，甚至震动声也完全相同，但这些设备却没有任何实际电流和功效。在半小时后，刺激组和对照组分别进行了第二次 ctVNS，因此整体有效刺激的总时长为 12 分钟。

图 | 实验流程图

在接下来的时间，受试者被要求每三小时完成一次考验注意力、反应速度和心情的任务，直到第二天的下午五点半。之后他们被家人或者朋友安全地接回家中。

整个实验过程中，受试者进行了 9 次由 NASA 和空军开发的多任务处理表现测试 (Air Force–Multi-Attribute Task Battery，AF-MATB)。这个测试要求操作员对监视器上四个独立的任务进行同时追踪和响应，每个任务都在单独象限中。

这四个任务包括视觉系统警报监测任务、视觉运动跟踪任务、听觉通信监测任务和视觉资源管理任务。根据显示器上任务数和受试者成功完成的任务数量之间的差异，研究人员计算出志愿者以处理的信息量。

研究团队称，接受 ctVNS 刺激的受试者的信息处理量明显高于对照组。 事实上，ctVNS 组的信息处理能力只比他们进入实验室当天下午四点的基线下降了 5%，而对照组组的信息处理能力下降了 15%。

因此，研究团队表示他们有理由认为 ctVNS 的方法确实激活了 LC-NE 通路。当然，未来的科学研究还可以从神经生理学的角度寻找能够证明这种作用的证据。

参考资料：

https://www.nature.com/articles/s42003-021-02145-7

https://spectrum.ieee.org/tech-talk/biomedical/devices/vagus-nerve

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迷走神经,打鸡血,注意力,刺激,清醒,蓝斑

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