脉冲光疗更“醒脑”！西电科研团队发现调控注意力新方法

用近红外光照射额头

能否像按下“开关”一样

精准激活大脑的注意力网络？

西安电子科技大学

生物医学光子学与分子影像实验室

陈雪利/谢晖教授团队的一项最新研究

给出了新的线索

研究发现

与传统的连续照射相比

采用10赫兹脉冲模式的近红外光

能够更显著地调节

与注意力相关的大脑网络活动

如果把光疗比作开车

这项研究相当于

找到了一个更精准的“档位”

Part

01

参数异质性成光疗临床应用瓶颈

经颅光生物调节疗法是一种利用红光或近红外光穿透颅骨、调节大脑神经元活动的无创物理疗法，通俗讲就是用一种安全的光给大脑细胞“充电”。特定波长的光能被神经细胞线粒体中的关键酶吸收后，可促进细胞能量代谢，进而改善脑功能。近年来，该疗法在脑卒中、抑郁症及阿尔茨海默病等神经精神疾病的辅助治疗研究中展现出潜力，被国际学界视为一种前景广阔的非药物干预手段。

然而，这一领域长期面临一项核心挑战：干预参数高度不统一。波长、功率密度、照射时长、连续或脉冲模式等关键变量，在不同研究中差异较大，导致结果难以比较，也制约了临床标准化应用。团队成员、西安电子科技大学生命科学技术学院教授谢晖介绍道：“目前，脉冲式经颅光生物调节领域就像处在‘经验医学’阶段，每个实验室都有自己的参数偏好，但究竟哪种参数组合最优，缺乏系统性的回答。”此前关于脉冲模式优势的证据多来自动物实验，人脑层面的直接电生理证据仍然缺乏，这一空白也成为团队攻关的突破口。

Part

02

脑电微状态成关键分析工具

为解答这一问题，该团队设计了一项单盲随机交叉对照试验。29名健康受试者分别接受脉冲光、连续光和安慰性假刺激三种条件，每次刺激前后均通过脑电图记录大脑活动。这一“人人都是自身对照”的设计，有效减少了个体差异带来的干扰。每次实验之间设置了为期7天的“洗脱期”，确保前一次刺激的神经效应充分消退，避免残留影响。

经颅光生物调节疗法研究方案。（a）脑电图（EEG）电极放置配置，红色圆圈表示刺激部位；（b）tPBM参数设置的实验方案；（c）研究设计流程。

团队重点分析了脑电信号中的“微状态”模式。如果把大脑活动比作一部电影，微状态就是构成这部电影的“关键帧”——它是大脑在几十毫秒内相对稳定的整体活动快照。其中“微状态C”已被多项研究证实与注意力维持、工作记忆和信息整合等认知功能密切相关，可以说是大脑专注力的“信号灯”。

数据表明，接受脉冲光照后，受试者大脑“微状态C”的平均持续时间显著延长，效应量达到中到大水平，相当于注意力网络的“开关”被更持久地打开了。同时，大脑信息从听觉、视觉网络向注意力网络转移的概率明显增加，就像在繁忙的交通中，通往“注意力枢纽”的车道被开了绿灯。相比之下，连续光照组虽呈现类似趋势，但变化未达到统计学显著水平。

安慰对照组、CW组与PW组脑电图微状态时间动力学参数对比结果。(a) 平均持续时间；(b) 每秒出现次数；(c) 时间覆盖率；(d) 转移概率TP。线条粗细表示相对变化率的大小，红色代表上升趋势，蓝色代表下降趋势。

“脑电微状态的优势在于毫秒级的时间分辨率，它能捕捉到功能磁共振成像无法看到的快速动态变化”，论文第一作者、西安电子科技大学博士生贺江山解释说，“这让我们能够实时观察光刺激对大脑网络切换的影响”。

Part

03

机器学习分析证实脉冲靶向效应

仅凭传统统计方法得出的结论，还需要更客观的验证。为此，研究团队引入机器学习算法，只根据脑电数据来“盲猜”——受试者接受的究竟是脉冲光、连续光，还是假刺激。结果显示，一种基于径向基函数的支持向量机模型表现最佳，其AUC值（可理解为模型判断准确的综合评分）达到0.956，接近满分。这意味着仅凭脑电特征，就能以极高准确率识别出脉冲光模式。

基于可解释行机器学习模型的性能评估。(a) AUC曲线、(b) 混淆矩阵及(c) 前3种算法的微状态特征重要程度。其中，mX表示微状态 X的平均持续时间；cX表示微状态 X的时间覆盖率；oX表示微状态 X的每秒出现次数；X-X（或TPX-X）表示从X到X的转移概率；GE_X表示微状态 X的全局效率；LE_X表示微状态 X的局部效率；BC_X / BC_L_X / BC_R_X分别表示微状态 X在全脑/左半脑/右半脑的介数中心性。

更关键的一步在于“可解释性”分析。研究团队运用SHAP方法，打开了AI这个“黑箱”，追问它究竟是依据哪些脑电特征做出的判断。分析显示，在区分脉冲模式时，排名前十的关键特征中有八个与“微状态C”相关。这一结果从数据层面交叉验证：脉冲光疗并非泛泛地影响全脑，而是精准地靶向了与注意力相关的核心网络。

谢晖表示，该研究不仅揭示了脉冲模式在调节注意力网络方面的优势，也为光疗参数标准化提供了新的思路。“不仅光照剂量重要，光照方式同样关键。脉冲模式的特异性调控效果提示我们，输出模式本身也是决定脑调控效果的关键因素。未来经颅光生物调节疗法的标准化，需要从单纯优化剂量，转向基于脑网络调控机制的参数设计。”

贺江山解释道：“大脑是一个高度动态的系统，不同频率的刺激可能引发不同的神经反应。我们观察到10赫兹的脉冲模式能够特异性调节与注意力相关的脑网络活动，这提示频率本身是值得深入优化的关键参数，也为后续研究提供了重要线索。”

Part

04

从基础研究向临床应用稳步推进

脑电微状态异常已广泛见于精神分裂症、脑卒中、阿尔茨海默病和注意缺陷等多种疾病，脉冲式光疗对这一关键网络的调节能力，为后续相关疾病的干预研究提供了机制层面的参考。

“我们的目标是从了解‘大脑发生了什么变化’出发，最终回答‘如何为不同的人选择最合适的光照方案’”，谢晖说，“每个人的大脑状态不同，就像配眼镜需要验光一样，未来的光疗也需要个体化的‘剂量滴定’。”

目前，团队正在拓展多个应用方向，包括大学生数智化学习场景中的认知增强、轻度抑郁和睡眠障碍改善等研究。谢晖透露：“我们也在推进自主研发便携式设备的相关工作，希望将实验室验证的脉冲模式集成到可穿戴产品中。”未来计划在不同年龄段及疾病人群中进一步验证脉冲模式的普适性和个体化参数方案，为精准脑调控积累循证依据。

从“发现现象”

到“阐明机制”

再到“规范应用”

这项研究为无创光疗技术

走出实验室

走向更广泛的临床应用

提供了可靠依据

记者 / 王 格

视频 / 周玮漪

排版 / 王子墨涵（融光工作室）

编辑 / 王冠玉

责编 / 王 格

出品 / 党委宣传部（融媒体中心）