本文Modulating cortical excitability and cortical arousal by pupil self-regulation发表于2025年5月的 Nature Communications（IF=15.7），来自苏黎世联邦理工学院的 Marieke Lieve Weijs 等人为本文的第一作者。
研究背景
大脑的觉醒状态（即中枢觉醒）影响各种正在进行的高级认知过程，并受多个神经调节核控制，包括去甲肾上腺素能（NA）、蓝斑核（LC）以及多巴胺能和胆碱能等。通过利用蓝斑（中央觉醒的关键调节器）和瞳孔动态之间的机制联系，已经证明了受试者可以通过基于瞳孔的生物反馈方法获得对包括蓝斑在内的觉醒调节中心的意志控制。本研究将基于瞳孔的生物反馈与单脉冲经颅磁刺激、脑电图和听觉oddball任务相结合，探究基于瞳孔的生物反馈是否调节皮质兴奋性、皮质觉醒和P300反应的电生理标记。
研究方法
01 实验一
实验1探究基于瞳孔的生物反馈结合单脉冲经颅磁刺激（TMS）研究瞳孔自我调节如何影响运动诱发电位（MEPs）测量的皮质兴奋性(图1)。
图1 基于瞳孔的生物反馈技术与单脉冲经颅磁刺激（TMS）相结合，旨在探究瞳孔自我调节如何影响通过运动诱发电位（MEP）测量皮质兴奋性。
所有受试者都经历了2种调节（上调和下调）和1个静息控制条件：(i)上调，即放大瞳孔；（ii）下调，即缩小瞳孔；（iii）静息控制条件，受试者的任务是保持自己思想的自由漫游，不使用调节策略。每个条件重复两次（即总共6个block），条件的顺序是伪随机的，并在受试者之间进行平衡。每组由10个试次组成，从1秒的指示阶段开始，给出自我调节或对照条件的提示，然后是4秒的基线测量。然后，受试者应用训练过的心理策略来调节瞳孔大小15秒，或者休息。在自我调节或静息阶段，输出两个经颅磁刺激脉冲到初级运动皮层，第一个脉冲在调节开始后的3-4秒施加，第二个脉冲在调节开始后的11秒之内施加。每次调节条件、试验结束后，被试均获得反馈（见图2）。每次实验均连续记录瞳孔大小和心电图。
图2 实验1-3的流程
TMS参数设置
本研究使用单脉冲TMS，强度为120% RMT。在上调、下调或静息控制条件下，分别在瞳孔调节阶段输出两个TMS脉冲。第一个脉冲在调节（或休息）开始后3 - 4秒之间，第二个脉冲在11秒之后，以避免TMS脉冲预期。每个试次发送两个脉冲，每种情况下收集40个MEPs样本。
02 实验二
实验2将基于瞳孔的生物反馈与脑电图相结合，研究瞳孔自我调节如何影响谱斜率（一种觉醒的皮层标记物）。本研究假设，与瞳孔缩小时（蓝色）相比，在瞳孔放大（红色）（表明更高的唤醒）期间，光谱斜率（皮质唤醒的全局标记）更平坦。右边的条形图显示了估计的谱指数（图3）。
图3 以瞳孔为基础的生物反馈与脑电图相结合，研究瞳孔自我调节如何影响谱斜率
基于瞳孔生物反馈的瞳孔测量记录
在这里，只报告基于瞳孔的生物反馈训练第3天的数据，同时记录了脑电图和心电图数据。在每次训练中，受试者共进行60个试次，分为3个上调和3个下调block，每个block由10个试次组成。实验开始时，对瞳孔大小的调节方向进行2秒的提示（放大或缩小瞳孔大小），然后进行3秒的基线测量。在接下来的实验中，受试者在调节阶段运用他们的心理策略来调节瞳孔直径的大小。
脑电记录
脑电图记录（均为德国Brain Products公司生产，深圳瀚翔脑科学技术股份有限公司全国总代理）。使用64导盐水电极、actiCHamp Plus放大器和脑电信号记录软件BrainVision Recorder以1kHz的频率记录基于瞳孔的生物反馈过程中的脑电信号。使用actiCAP SNAP支架根据标准化的国际10-20系统将电极放置在脑电帽中。
03 实验三
实验3将瞳孔生物反馈与脑电相结合，研究瞳孔自我调节如何影响目标音调的谱斜率和P300事件相关电位（ERP）成分，这是蓝斑（LC）活动的电生理标志物。研究假设瞳孔缩小（蓝色）时的斜度比瞳孔放大（红色）时的斜度更陡，并进一步研究斜度是否会随着目标色调的变化而变化。此外，研究假设当受试者在目标音调之前瞳孔缩小（蓝色）时，P300会比瞳孔放大（红色）时更大。图4中的声音图标代表在oddball任务中播放的标准（浅灰色）和目标音调（深灰色）（图4）。
图4 在oddball任务中播放的标准（浅灰色）和目标音调（深灰色）
研究结果
01 实验一结果
尽管在调节阶段施加了两个经颅磁刺激脉冲，但研究受试者能够自主地放大和缩小瞳孔大小（图5）。瞳孔大小（图6）在上调期间比下调时显著增大。当受试者将自我调节策略应用于放大瞳孔时，皮质兴奋性显著增加了。
图5 基于瞳孔的自我调节对皮质兴奋性和心血管激活的影响
注：TMS 脉冲作用的时间进程，包括上调、下调和控制休息试验。灰色阴影区域表示 TMS 脉冲的时间点，其中第一个脉冲在 3 - 4 秒之间施加，第二个脉冲在调节开始后 11 秒施加。每个试次都以基线测量开始（直到虚线），随后是 15 秒的调节/休息阶段，在此期间施加了 2 个 TMS 脉冲。
图6 在每次经颅磁刺激脉冲前的 150 毫秒内，在上调、下调和对照条件下，瞳孔大小均有所变化。
注：在上调期间，修正后的基线瞳孔大小变化明显大于下调和对照试验组；下调期间的瞳孔大小变化没有显著低于对照组。
02 实验二结果
正如假设的那样，在瞳孔缩小期间的谱斜率明显比瞳孔放大期间更陡峭（图 7）。
图7 针对 30 - 45 Hz频段所估算的光谱斜率，表明在瞳孔缩小时的斜率明显比放大时的斜率更陡峭
对于 2 - 40 Hz范围内估计的谱斜率的类似趋势水平结果表明，在瞳孔缩小调节期间的皮质觉醒状态低于瞳孔放大调节期间，且这种差异仅在自我调节期间存在，尤其是在自我调节开始后的 3 - 6 秒，而在基线期间不存在（图8）。
图8 在基线（即-3-0s）和调节期间（0- 3s、3- 6s、6- 9s、9- 12s、12- 15s）的3 s时间区间内，所有上调和下调试次通道在30- 45hz的平均估计频谱斜率。
瞳孔自我调节对脑电图测量的全部皮质觉醒具有调节作用（图9）。
图9 在基线（即-3-0秒）和调节阶段（0-3秒、3-6秒、6-9秒、9-12秒、12-15秒）的时间区间内，所有上调和下调试次在30-45 Hz的平均频谱斜率估计。
瞳孔调节指数（上调 - 下调）与频谱斜率变化（上调 - 下调）之间存在显著的正相关，因此，更好的瞳孔自我调节与更大的频谱斜率差异相关（图10）。
图10 瞳孔和皮质觉醒标志物之间存在显著的线性关系
03 实验三结果
相比于上调和控制组，下调期间谱斜率更加陡峭（图11）。
图11 在30-45 Hz时所有通道向上、下调节和控制试次的光谱斜率
在下调和控制条件下，P300 的表现存在显著差异（图12-14）,这种差异表现为，在整个中央顶叶区域，下调的幅度高于对照条件的调节幅度，并且这种差异在声音开始后的 252 至 560 毫秒之间最为显著，这与 P300 的预期时间特性和空间特性相吻合。同时，下调和上调条件之间的 P300 也有显著差异。但是，P300在上调和控制条件之间没有显著差异。
通过比较P300对标准声音和目标声音的反应，进一步证实了瞳孔自我调节作用对目标诱发P300的特异性。总的来说，目标声音在252 ~ 600 ms期间的平均振幅显著高于标准声音（图14）。
图12 oddball任务期间的平均ERP波形
图13 下调和控制组的P300存在显著的差异
图14 下调期间的P300振幅显著高于控制组
研究结论
本研究将基于瞳孔的生物反馈与（i）单脉冲经颅磁刺激（TMS）、（ii）脑电图（EEG）记录以及（iii）同时进行的听觉oddball任务相结合，揭示了三个主要发现：首先，瞳孔自我调节显著影响了用 TMS 测量的皮质兴奋性。其次，无论是在仅自我调节的条件下还是在自我调节与听觉oddball任务同时进行的双任务设置中，瞳孔自我调节均显著影响了脑电图功率谱的斜率（即频谱斜率），这是人类皮质觉醒的电生理标志物，可通过捕捉兴奋/抑制比的变化来反映内在兴奋性。第三，瞳孔自我调节显著影响了目标音调引发的 P300 反应。
总之，本研究结果表明，通过基于瞳孔的生物反馈训练获得的瞳孔自我调节能够调节大脑皮层兴奋性和唤醒度的标志物。尤其是瞳孔和皮质唤醒度测量之间的相关性支持了存在共同潜在生理机制的解释。同样，通过瞳孔自我调节对 P300 的系统性反应调节，补充了前人研究的瞳孔扩张随瞳孔相关唤醒状态变化的情况。未来的研究需要确定基于瞳孔的生物反馈是否能进一步用于调节与神经和精神疾病相关的方面。
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原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-59837-5
