经颅直流电刺激（tDCS）增强学习的最新研究进展

经颅直流电刺激（tDCS）作为一种非侵入性脑刺激技术，在提升学习能力方面展现出巨大潜力。本文详细阐述了tDCS通过调节皮层兴奋性和神经可塑性增强学习的机制，系统分析其在不同类型学习任务中的应用效果，并深入探讨影响tDCS效果的多种因素，同时指出了当前研究的局限性并展望未来发展方向。如您对经颅直流电刺激（tDCS）在学习增强领域的研究进展有任何疑问或交流需求，欢迎关注公众号：神经电生理爱好者。

一、引言

学习是人类认知的核心过程，对教育、职业发展和生活质量具有深远影响。然而，个体在学习过程中常面临效率和效果的瓶颈。tDCS凭借其操作简便、成本低、安全性高等优势，成为提升学习能力的热门研究领域。近年来，大量研究表明tDCS能够显著增强学习效率，涵盖了从基础认知任务到复杂技能习得的多个层面，为优化学习过程提供了全新的视角和方法。

二、tDCS提升学习成绩的神经生物学机制

（一）调节皮层兴奋性与突触可塑性

tDCS通过向大脑皮层施加微弱直流电，使神经元膜电位发生偏移，阳极刺激降低静息膜电位，增加神经元兴奋性，而阴极刺激则提高静息膜电位，抑制神经元活动。这种调节作用可影响神经元之间的突触连接强度和效能，从而增强突触可塑性。突触可塑性是学习和记忆的细胞基础，其增强意味着大脑能够更高效地建立新的神经连接、巩固已有连接或调整连接强度，以适应新的学习内容和任务要求。

在动物实验中，研究发现阳极tDCS能够提升海马脑源性神经营养因子（BDNF）的表达水平。BDNF作为一种关键的神经营养因子，对神经元的存活、生长、分化以及突触可塑性具有重要调节作用。BDNF表达的增加可促进长时程增强（LTP）的发生和发展，而LTP又是学习和记忆过程中突触效能持久增强的重要机制。例如，在小鼠空间记忆任务研究中，仅20分钟的阳极tDCS刺激即可使海马区域BDNF表达显著上升，LTP得以强化，进而使小鼠在 Morris 水迷宫等空间记忆任务中的表现明显改善，且这种记忆增强效果可持续达一周之久。

（二）优化神经网络功能

大脑的不同区域通过复杂的神经网络相互连接和协作，共同完成各种认知和学习任务。tDCS能够对特定脑区的活动进行调节，进而优化神经网络的功能效率。前额叶皮层和顶叶皮层是参与高级认知功能和学习过程的关键脑区。tDCS刺激前额叶皮层，尤其是背外侧前额叶皮层（DLPFC），能够显著改善工作记忆和处理速度。工作记忆是我们在短时间内存储和操作信息的能力，对于学习新知识、解决问题等任务至关重要。DLPFC在工作记忆的维持和操作过程中发挥着核心作用，tDCS对其兴奋性的增强可提高神经元的放电频率和同步性，优化神经网络的信息传递效率，从而提升工作记忆容量和处理速度。

在算术学习任务中，tDCS刺激DLPFC可使个体在处理复杂数学运算、解决数学问题等方面的效率显著提高。后顶叶皮层（PPC）则在视觉-空间注意力、感觉运动整合以及技能学习等过程中扮演重要角色。对PPC进行tDCS刺激能够加速视觉-运动整合过程，促进技能的快速习得。例如，在一些涉及精细手眼协调的运动技能学习任务中，如学习弹奏乐器、进行外科手术模拟操作等，刺激PPC的tDCS能够使学习者更快地掌握动作技巧，提高技能操作的准确性和流畅性。

三、tDCS在不同类型学习任务中的应用及效果

（一）分类与感知学习

1、类别学习：在视觉分类学习任务中，如对不同形状、颜色、纹理等视觉特征进行分类学习，tDCS刺激右侧腹外侧前额叶（rVLPFC）可显著加速学习进程。rVLPFC在处理视觉分类信息、规则归纳以及决策过程中具有重要作用。tDCS对其兴奋性的调节能够增强神经元的活动，提高大脑对视觉特征的编码效率和分类准确性，使学习者能够更快地掌握分类规则，学习率可达到对照组的两倍左右。在一些复杂目标识别任务中，如在杂乱背景中识别特定目标物体、对细微差异的面孔进行分类等，tDCS的促进作用更为明显，学习者能够更迅速地提取关键视觉特征，提高目标识别的准确性和速度。

tDCS对不同学习任务的促进作用。

2、算术学习：后顶叶皮层（PPC）的tDCS通过调节左侧顶叶活动，对算术学习产生积极影响。左侧顶叶在数字加工、数学运算以及数学符号处理等过程中发挥关键作用。tDCS刺激PPC能够优化神经元之间的连接和信息传递，增强大脑对数字和数学符号的编码、转换以及运算能力。在算术学习实验中，接受阳极tDCS刺激的个体在学习数学公式、解决数学应用题以及进行心算等方面的效率显著高于对照组，阳极刺激优化了符号-数字的关联编码过程，使学习者能够更高效地理解和运用数学知识。

3、感知学习：在线阳极tDCS刺激视觉运动区能够加速运动知觉任务的学习曲线，减少训练所需时间。视觉运动区负责处理视觉运动信息，如物体的运动方向、速度、轨迹等。在运动知觉任务中，如判断随机点的运动方向、识别运动物体的速度变化等，tDCS刺激可增强视觉运动区神经元的活动，提高大脑对运动信息的感知敏锐度和处理速度。学习者在接受tDCS刺激后，能够更快地适应任务要求，准确判断运动信息，学习曲线明显上升，训练时间相应缩短。

（二）工作记忆与强化学习

1、工作记忆训练：tDCS结合n-back任务训练成为提升工作记忆容量的有效手段。n-back任务是一种经典的工作记忆训练范式，通过让个体在不同记忆 load 下对之前呈现的刺激进行回忆和匹配，训练大脑的工作记忆能力。在训练过程中，对前额叶皮层进行tDCS刺激能够增强该脑区的神经活动，提高工作记忆的编码、存储和提取效率。研究表明，经过一段时间的tDCS结合n-back训练，个体的工作记忆容量可显著增加，且这种提升效果不仅局限于训练任务本身，还能够迁移到其他认知任务中，如阅读理解、逻辑推理等，表明tDCS对工作记忆的改善具有一定的泛化效应。

2、奖励学习：前额叶tDCS在损失-不稳定区块中显著提高“赢”事件的强化学习率。在强化学习过程中，大脑根据行为结果（奖励或惩罚）调整行为策略，以最大化奖励获得。前额叶皮层在编码奖励信号、预测奖励价值以及指导行为决策等方面具有重要作用。tDCS刺激前额叶能够增强神经元对奖励信号的敏感性，提高多巴胺等神经递质的释放，从而加速强化学习进程。在实验中，当个体在损失-不稳定区块中面对“赢”事件时，前额叶tDCS使其能够更快地学习到有利的行为策略，提高选择奖励相关行为的概率，学习率显著提升。同时，这种效果依赖于刺激时间，在线（任务期间）刺激能够实时增强大脑对奖励信号的处理，优化学习过程，而离线（休息期）刺激则可能干扰奖励记忆的巩固，导致学习效果不佳。

（三）技能习得

1、运动序列学习：小脑tDCS促进精细运动序列学习，并提高对新任务的泛化能力。小脑在运动协调、平衡控制以及程序性学习中发挥关键作用。在运动序列学习任务中，如学习手指依次按键的复杂序列、操作机械装置完成特定动作等，tDCS刺激小脑能够调节小脑皮层神经元的活动，增强小脑与大脑皮层之间的神经通路连接，优化运动技能的学习和存储过程。研究表明，接受小脑tDCS刺激的学习者在运动序列学习任务中的表现更为出色，不仅能够更快地掌握特定的运动序列，而且在面对新的类似运动任务时，能够更好地运用已学技能，表现出更强的泛化能力。此外，在老年群体中，小脑tDCS能够恢复其运动技能获取能力，使其接近青年水平，为老年人运动康复和功能维持提供了新的方法。

2、语言康复：失语症患者经双侧tDCS刺激布洛卡区（Broca's Area），显著改善言语流利度和命名能力。布洛卡区是大脑语言生产的關鍵区域，损伤会导致表达性失语症，患者出现言语流利度下降、语法错误、命名困难等症状。tDCS刺激布洛卡区能够调节该区域的神经兴奋性，促进神经可塑性代偿，增强大脑语言功能的恢复。在语言康复训练中，结合双侧tDCS刺激，失语症患者的言语流利度得到显著提高，能够更连贯地表达自己的思想和情感，同时在物体命名、词汇提取等方面的能力也明显改善，学习效率优于单一言语训练方法，为失语症的康复治疗提供了有力的支持。

四、影响tDCS效果的因素

（一）靶区特异性

大脑的不同区域承担着不同的认知和学习功能，因此tDCS的刺激靶区对学习效果具有关键影响。前额叶皮层中的 DLPFC 是参与工作记忆、决策、认知控制等高级认知功能的核心脑区，对其进行刺激能够有效改善与之相关的学习任务表现，如提升工作记忆容量、增强决策能力等。然而，对于运动皮层（M1），在一些研究中发现其刺激对学习效果的提升并不显著，可能是因为 M1 主要负责执行运动指令，而非直接参与学习过程的高级认知调节。小脑作为程序性学习和运动技能学习的关键中枢，对运动序列学习和技能泛化具有重要作用，对其进行tDCS刺激能够显著促进相关学习任务的完成，而在其他类型的学习任务中，如纯认知学习任务，小脑的刺激效果则相对较弱。

（二）刺激参数与时序

1、在线vs.离线刺激：在线tDCS（任务期间施加刺激）对即时学习的增强效果更为显著。这是因为在学习任务进行过程中，大脑的神经网络处于活跃状态，神经元之间的连接和信息传递不断进行调整和优化。此时施加tDCS刺激能够与大脑的自然学习活动协同作用，实时增强神经元的兴奋性或抑制无关活动，提高大脑对学习信息的处理效率，从而加速学习进程。而离线刺激（在休息期施加刺激）可能干扰大脑的记忆巩固过程。记忆巩固是一个将短期记忆转化为长期记忆的过程，需要大脑神经网络的协调活动和特定的神经生理机制。离线刺激可能打乱这一过程中的神经活动模式，导致学习效果不佳甚至下降。例如，在强化学习中，离线双侧tDCS反而降低了学习率，这表明刺激时序对于tDCS的学习效果具有重要影响。

2、频率与强度：tDCS的频率和强度是决定其效果的关键参数。一般来说，1–2 mA的电流强度是目前研究中最常用且相对有效的范围。较低的电流强度可能不足以引起明显的神经元膜电位偏移，从而无法产生显著的学习效果；而过高的电流强度则可能引发不适感甚至安全风险，同时也不一定会带来更好的学习效果，甚至可能产生抑制作用。然而，最优刺激方案并非固定不变，而是需要根据个体的神经生理特性和学习任务需求进行个性化调整。例如，一些研究发现，对于某些认知能力较低的个体，适当降低刺激强度可能更有利于其学习表现；而对于复杂的学习任务，可能需要更高的刺激强度或更优化的刺激频率模式来达到最佳效果。

（三）人群差异性

1、健康成人：在健康成人群体中，tDCS对学习能力的提升效果整体显著，但存在个体差异。这种差异可能与个体的基线认知水平、神经生理特征、大脑可塑性潜力等因素有关。例如，一些认知能力较强、神经可塑性较高的个体可能在tDCS刺激下获得更大的学习收益，而认知能力较弱或神经可塑性较低的个体效果可能相对较弱。因此，在应用tDCS提升健康成人学习能力时，需要充分考虑个体差异，制定个性化的刺激方案。

2、老年人与临床群体：对于老年人和临床患者，tDCS展现出了良好的应用前景。在轻度认知障碍（MCI）患者中，tDCS能够改善空间学习能力。空间学习能力的下降是MCI患者常见的认知障碍表现之一，影响其日常生活能力和独立性。tDCS刺激海马及相关脑区能够增强神经可塑性，促进空间信息的编码、存储和提取，从而改善患者的空间学习和记忆能力。在阿尔茨海默病（AD）患者中，海马依赖记忆的增强是tDCS的一个重要研究方向。海马是记忆形成和存储的关键脑区，AD 患者的海马区域通常会发生显著的病理变化，导致记忆功能严重受损。tDCS通过调节海马的神经活动和可塑性，有望在一定程度上改善AD患者的记忆功能，延缓疾病进展。此外，对于精神分裂症患者，tDCS结合工作记忆训练能够有效克服其认知缺陷。精神分裂症患者常伴有工作记忆障碍，影响其社会功能和康复效果。tDCS刺激前额叶等脑区能够增强工作记忆相关的神经网络活动，提高患者的工作记忆容量和处理速度，从而改善其认知功能和社会适应能力。

五、未来方向

（一）效果变异性

目前，tDCS对学习提升的幅度在不同研究中尚未得到统一量化。这种变异性可能源于多个因素，包括电极位置的不精确、个体神经解剖结构的差异以及刺激参数的不一致等。例如，电极位置的微小偏差可能导致刺激的脑区与预期目标脑区存在差异，从而影响学习效果。不同个体的大脑结构和神经连接模式存在差异，这也会导致相同刺激方案在不同个体中产生不同的学习效果。此外，刺激参数如电流强度、刺激时长、刺激频率等的不同组合也会对学习效果产生影响。因此，未来研究应进一步优化电极定位技术，提高电极位置的精准度；同时，深入研究个体神经解剖和生理特征对tDCS效果的影响，建立个性化的刺激参数调整模型，以减少效果变异性，提高tDCS提升学习效果的可靠性和一致性。

（二）神经机制深度

尽管目前的研究已经揭示了tDCS在调节神经可塑性方面的作用，但对其调控分子通路的细节仍知之甚少。BDNF作为神经可塑性的重要分子基础，其在tDCS过程中表达调控的具体机制尚待深入探究。例如，tDCS如何通过细胞信号通路影响 BDNF 基因的转录和翻译过程，以及 BDNF 的释放和运输机制在其中扮演何种角色等问题尚未明确。此外，除了 BDNF 以外，其他与神经可塑性相关的分子（如 NMDA 受体、AMPA 受体等）在tDCS中的作用机制也有待进一步研究。未来研究应加强分子生物学技术与tDCS研究的结合，开展动物实验和体外细胞实验，深入探究tDCS对神经可塑性分子通路的精细调控机制，为优化tDCS刺激方案提供更深入的理论支持。

（三）个性化干预

闭环tDCS系统作为一种新兴的个性化干预技术，具有广阔的发展前景。该系统基于EEG等神经监测技术实时反馈大脑活动状态，能够根据大脑的即时反应自动调整刺激参数，实现精准、动态的tDCS干预。然而，目前闭环tDCS系统在学习领域的应用仍处于起步阶段，相关的技术和算法尚不成熟。未来应加强跨学科研究合作，整合神经科学、工程学、计算机科学等领域的技术力量，研发更加高效、精准的闭环tDCS系统。同时，开展大规模临床试验和验证研究，优化闭环tDCS系统的刺激参数调整算法，提高其在不同学习任务和人群中的适用性和有效性。

六、结论

综上所述，tDCS作为一种非侵入性脑刺激技术，在调节神经可塑性和优化关键脑区活动方面具有独特优势，能够显著提升学习效率，涵盖分类、感知、技能与强化学习等多个领域。然而，tDCS的学习效果受到靶区选择、刺激时序及人群特征等多种因素的复杂影响。未来研究应深入探索其神经生物学机制，优化刺激参数和干预方案，开发个性化精准干预技术，并开展长期效应研究，以充分挖掘tDCS在教育、康复等领域的应用潜力，为提升人类学习能力提供更安全、有效、个性化的方法和手段。

参考文献

Transcranial direct current stimulation facilitates category learning

Stimulating human prefrontal cortex increases reward learning

Neuroplasticity and learning: insights from transcranial direct current stimulation

Battery powered thought: Enhancement of attention, learning, and memory in healthy adults using transcranial direct current stimulation

Transcranial direct current stimulation of the posterior parietal cortex modulates arithmetic learning

Anodal online transcranial direct current stimulation (tDCS) facilitates visual motion perceptual learning