人脑对视觉信息变化的处理过程的事件相关电位研究

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇人脑对视觉信息变化的处理过程的事件相关电位研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

【摘 要】 目的:采用256导联事件相关电位技术和低分辨率电磁图的方法,研究人脑对视觉信息变化的处理过程。方法:12名健康志愿者参与试验。视觉刺激为同时具有颜色和形状2种特征的图形。先后呈现的2张图片(S1和S2)组成一个刺激对并分为4种类型:S1和S2的颜色、形状均相同;S1和S2的颜色相同,形状不同;S1和S2的颜色不同,形状相同;S1和S2的颜色、形状均不同。受试者分别完成注意颜色和注意形状2个任务。结果:①S2呈现后135 ms~165 ms,3种变化的刺激对引出了变化相关正波(change-related positivity,CRP)。低分辨率电磁图(low-resolution electromagnetic tomography,LORETA)分析显示CRP的发生源是枕叶舌回、楔叶。②235 ms~275 ms时间窗内,无变化和无关变化状态引出了N200,右侧颞叶梭状回、颞中回和海马旁回是该成分的发生源。③240 ms~320 ms时间窗内,所有变化的刺激对均引出了N270,前扣带回和双侧杏仁核是N270的发生源。结论:人脑对视觉信息变化的处理过程可分为3个阶段:CRP所代表的可能是人脑对视觉信息变化的早期处理阶段;N200所反映的可能是人脑对无关信息变化的主动忽略阶段;N270可能代表高级处理阶段。

【关键词】 视觉信息变化;事件相关电位;低分辨率电磁图;变化相关正波;N200,N270

中图分类号:R741.044,B842 文献标识码:A 文章编号:1000-6729(2009)011-0832-05

doi:10.3969/j.issn.1000-6729.2009.11.省略

【Abstract】 Objective:To explore the spatio-temporal dynamics of brain mechanisms in visual change detection by 256-channel event-related potential (ERP) and low-resolution electromagnetic tomography (LORETA) analyses.Methods:ERP were recorded in 12 healthy participants during performing an S1-S2 matching task.Visual stimuli defined by color and shape.Each trial consisted of two sequentially presented stimuli (S1 and S2),where S2 was either the same as S1,different from S1 in shape only,different in color only,or different in both color and shape.Subjects matched the stimuli according to task demands:attending to color and attending to shape.Result:Change condition elicited change-related positivity (CRP) ranging 135~165 ms.The estimated source regions contributing to CRP were lingual gyrus and cuneus of occipital lobe.N200 was elicited in no change and task-irrelevant change condition ranging 235~275 ms.The source for N200 was in the right temporal fusiform gyrus,middle temporal gyrus and parahippocampal gyrus.In the time window of 240~320 ms,N270 was elicited in all change conditions.The N270 source was localizable to the anterior cingulated cortex and amygdala.Conclusion:In the early stage,CRP reflects the preattentive processing of visual changes.The LORETA result confirms that CRP is generated in the early visual areas.N200 may be related to the active ignored processing of task-irrelevant change.The source for N200 is in the right temporal fusiform gyrus,middle temporal gyrus and parahippocampal gyrus.In the late stage,N270 reflects the advanced processing of visual change in the human brain.The N270 source may be in anterior cingulate cortex (ACC) and amygdala.

【Key words】 visual change detection; event-related potential; low-resolution electromagnetic tomography; change-related positivity; N200; N270

近年来,相关研究发现人脑对视觉信息变化的处理可能是具有普遍意义的基本认知过程之一[1]。任何一个刺激与前一个刺激相比存在不同或差异,都可以认为发生了信息变化[2]。在采用视觉S1-S2比较试验范式的事件相关电位(event-related potential,ERP)研究中,王玉平[3]、Fu[4]和 Kimura[1,5-7]等学者发现视觉刺激的多种特征,如颜色、形状、运动方向的变化,都可以在刺激呈现后100 ms~200 ms时间窗内诱发出1个正波,称之为变化相关正波(change-related positivity,CRP),并认为该成分与视觉信息变化的早期处理有关。另一个与视觉信息变化探测处理相关的ERP成分是N270。王玉平等发现:颜色、形状、位置等视觉特征的变化均能在刺激呈现后270 ms左右诱发出一个负波N270[3,8-9]。N270所反映的信息变化不局限于某一特征和模式,可以说只要有信息变化就有N270产生。基于以上研究,我们推测人脑对视觉信息变化的处理是一个复杂而具有连续性的过程,CRP反映了视觉信息变化的初级处理环节,N270则代表了视觉信息变化的高级处理阶段。本研究将采用S1-S2试验范式,采用256导ERP的方法研究人脑对视觉信息变化的处理,为弥补ERP技术空间分辨率不佳的缺陷,还采用了低分辨率电磁图(low-resolution electromagnetic tomography,LORETA)方法[10]通过对ERP成分进行溯源分析以了解参与该处理过程各阶段的脑区。力求从时间和空间这2个维度上展现和探究人脑对视觉信息变化的动态处理过程。

1 对象与方法

1.1对象

从首都医科大学研究生中招募12名健康志愿者(女7人,男5人),年龄26~29岁,平均(27.5±1.2)岁,签署知情同意书后有偿参与本实验。受试者的受教育程度均达大学本科以上,右利手,无色盲、视力正常或矫正视力正常。

1.2仪器设备

采用美国EGI公司256导高密度导联脑电诱发电位工作站,E-prime软件控制视觉刺激的呈现,Net Station EEG/ERP数据采集分析软件同步记录脑电信号并进行分析处理。采用GeoSource 电发生源成像软件进行LORETA分析[10]。

1.3刺激序列

视觉刺激为包含颜色(红、黄、蓝)和形状(正方形、圆形、三角形)2种特征的图形。先后呈现的2张图片组成1个刺激对,分别命名为S1和S2。刺激对有4种类型:① S1和S2的颜色、形状均相同(C-S-);②S1和S2的颜色相同,形状不同(C-S+);③S1和S2的颜色不同,形状相同(C+S-);④S1和S2的颜色、形状均不同(C+S+)。S1和S2持续时间为300 ms,S1 结束到S2开始之间间隔200 ms, S2结束到下一刺激对的S1开始的时间间隔为2500 ms。4种类型的刺激对概率相等(各54对),且随机呈现。

1.4试验程序

受试者戴256导联电极帽,两眼注视屏幕中心点,眼睛距屏幕中心1m。电极皮肤阻抗在70 kΩ以下。E-prime软件控制刺激呈现。受试者按任务要求判断先后出现的2个刺激的某个特征是否相同,并迅速准确地做出相应的按键反应。受试者随机完成2个任务:注意颜色任务(Ac)中要求受试者只注意颜色特征,即判断S1和S2的颜色是否相同,注意形状任务(As)则要求受试者只注意形状特征。

1.5数据采集

脑电信号经放大器放大,滤波0.03 Hz~40 Hz,采样频率为500 Hz。去除错误反应及混有眼动等伪差的脑电事件。每个导联及每种状态的ERP被分别叠加,每种状态至少有40个事件参与叠加。分析时间段为1000 ms,即自S2前200 ms至S2后800 ms,以S2时间点为零点,取S2前200 ms 的平均电压均值作为基线。全部导联波幅的平均值作为参考[3,8-9]。

1.6统计方法

将刺激对类型与2个任务结合起来,归纳为4种状态:Ac/C-S- 和As/C-S-属于无变化状态;Ac/C-S+ 和As/C+S-中的变化特征是与任务不相关的,称无关变化状态;Ac/C+S- 和 As/C-S+中的变化特征是与任务相关的,称相关变化状态;Ac/C+S+ 和As/C+S+中既有与任务相关也有与之无关的特征变化,称为双特征变化状态。数据统计采用STATISTICA7.0统计软件进行,使用重复测量的方差分析的方法,以P

2 结 果

2.1 变化相关正波

在135 ms~165 ms时间窗内,两个任务中所有包含变化的刺激对均在后头部诱发出了变化相关正波(CRP)(图1)。4种状态诱发的平均电压差异有统计学意义(F=17.88,P

2.2 N200

在235 ms~275 ms时间窗内,无变化和无关变化状态引出了N200(图3)。统计结果显示P3和T5部位,4种状态之间的平均电压差异有统计学意义(F=9.21,P

2.3 N270

在240 ms~320 ms时间窗内,所有的变化状态均在前头部引出了N270(图5)。4种状态引出的ERP平均波幅差异有统计学意义(F=28.80,P

3 讨 论

两个任务中所有包含变化的刺激对均在后头部引出了变化相关正波-CRP。与任务相关的特征变化和与任务无关的特征变化诱发的CRP波幅之间无统计学差异,说明CRP波幅不受作业任务即注意的影响。该结果与Kimura等学者的研究相一致[1,5-7],说明人脑在视觉刺激呈现后100 ms~200 ms就可以自动探测到信息的变化,CRP反映了视觉信息变化注意前的处理阶段。Kimura等根据CRP的头皮分布特点推测该成分起源于初级视觉皮层[1,7]。本实验中CRP的LORETA分析结果显示枕叶舌回和楔叶的活动显著增强,从而较精确地定位了参与视觉信息变化早期处理活动的脑区。

在235 ms~275 ms时间窗内,无变化和无关变化状态在左颞枕部引出了波幅相似的N200。LORETA源定位结果显示右侧颞叶梭状回、颞中回及海马旁回在无变化和无关变化状态中显著激活,可能是产生该电活动的脑区。我们认为N200和上述脑区的激活可能与人脑对任务无关信息的忽略有关。人脑进行信息处理的资源是有限的,在任何一个时刻,呈现在人眼前的成千上万的信息中只有与行为相关联的一小部分能够被人脑进一步加工处理。因此,注意的选择性调控即将有限的神经资源集中于一定数量能导致适宜反应的相关信息处理上而忽略其他无关信息的过程就显得至关重要了[11]。选择性注意可能发生在信息加工的多个水平,通过易化和抑制两种方式自上而下地调控着信息的加工过程。以往多数研究认为,注意通过自上而下的抑制性调控使负责处理无关信息的脑区的神经活动减低,从而达到抑制无关信息的处理,排除干扰的目的[12-14]。本研究中,任务无关变化状态中右侧颞叶梭状回、颞中回及海马旁回活动增强引出了N200。这些脑区的激活说明该抑制过程不是被动的,即不是由某种因素作用于相应的神经结构使之活动减弱所致,而是相关脑区激活并消耗了神经资源,主动地忽略了与任务无关的信息变化,阻止其进入更高级的处理阶段。但是,无变化状态也引出了相似的N200及相应的脑区激活。如何解释该结果呢?有关正性启动的研究发现,受试者对重复出现的刺激的反应时缩短,正确率提高[15],说明人脑处理重复的信息只需要较少的神经资源[16]或是较短时程的神经元活动[17]。本实验中的无变化刺激对实际上就是刺激的重复呈现,引出了明显的正性启动效应。可见,人脑对无变化的信息的处理相对简单而迅速,不需要太多的神经资源和时间。我们推测,在信息变化探测处理的早期阶段,无变化信息的处理就已经基本完成,无需把信息传递到前额和额叶皮层等高级中枢进行进一步处理。因而,当人脑对无变化信息的处理完成后,该信息就会被当作与任务无关的信息而被忽略掉,尽量阻止其进入高级处理中枢进行深度加工,以避免其与任务相关变化信息竞争有限的处理资源。无变化和任务无关变化状态中相似的神经电活动和激活脑区均反映了这一主动忽略过程。

变化信息的进一步处理发生在前头部,所有的变化状态均在240 ms~320 ms时间窗内引出了N270,但无关变化引出的N270波幅明显低于相关变化和双特征变化状态。该结果与我们的前期研究一致,说明N270所代表的信息变化的处理可以不依赖于注意而自动启动,但其活动受注意的调控即注意可以使其活动增强[18]。 关于N270的发生源的问题一直困扰着我们,本研究首次使用了高密度导联ERP的方法,通过LORETA分析定位其发生源。结果显示:前扣带回及双侧杏仁核的激活产生了N270。LORETA分析还显示任务无关信息变化状态中前扣带回激活的程度明显弱于任务相关和双特征变化状态,该结果与头皮表面的N270波幅变化规律相一致。

总之,本研究从时间和空间2个维度上对视觉信息变化的动态处理过程进行了系统的研究。该处理过程可分为3个阶段,①初级阶段:刺激呈现后135 ms~165 ms引出的CRP反映了人脑对视觉信息变化的早期处理,该阶段不受注意的调控。枕叶视皮层是参与此阶段信息处理的主要脑区。②无关信息的忽略阶段:刺激呈现后235 ms~275 ms,右侧颞叶梭状回、颞中回及海马旁回的神经活动增强,产生的N200代表了人脑对与无关信息变化的主动忽略。③高级阶段:刺激呈现后240 ms~320 ms,N270反映了人脑对视觉信息变化的高级处理,该阶段中变化信息的处理受注意的调控,前扣带回和双侧杏仁核是产生N270的脑区。

参考文献

[1]Kimura M,Katayama J,Murohashi H.Positive difference in ERPs reflects independent processing of visual changes[J].Psychophysiology,2005,42:369-379.

[2]Mazza V,Turatto M,Sarlo M.Rare stimuli or rare changes:what really matters for the brain?[J]. Neuroreport,2005,16:1061- 1064.

[3]Wang YP,Tian SJ,Wang HJ,et al.Event-related potentials evoked by multi-feature conflict under different attentive conditions[J].Exp Brain Res,2003,148:451- 457.

[4]Fu S,Fan S,Chen L.Event-related potentials revealed involuntary processing of orientation changes in the visual modality[J].Psychophysiology,2003,40:770- 775.

[5]Kimura M,Katayama J,Murohashi H.Independent processing of visual stimulus changes in ventral and dorsal stream features indexed by an early positive difference in event-related brain potentials[J].Int J Psychophysiol,2006,59:141-150.

[6]Kimura M,Katayama J,Murohashi H.An ERP study of visual change detection:effects of magnitude of spatial frequency changes on the change-related posterior positivity[J].Int J Psychophysiol,2006,62:14-23.

[7]Kimura M,Katayama J,Murohashi H.Neural correlates of pre-attentive and attentive processing of visual changes[J].Neuroreport,2005,19:2061-2064.

[8]Wang YP,Cui LL,Wang HJ,et al.The sequential processing of visual feature conjunction mismatches in the human brain[J].Psychophysiology,2004,41:21-29.

[9]Mao W,Wang Y.Various conflicts from ventral and dorsal streams are sequentially processed in a common system[J].Exp Brain Res,2007,177:113-121.

[10]Pascual-Marqui RD,Michel CM,Lehmann D.Low resolution electromagnetic tomography,a new method for localizing electrical activity in the brain[J].Int J Psychophysiol,1994,18:49-65.

[11]Erickson KI,Prakash RS,Kim JS,et al.Top-down attentional control in spatially coincident stimuli enhances activity in both task-relevant and task-irrelevant regions of cortex[J].Behav Brain Res,2009,197:186-197.

[12]Pinsk MA,Doniger GM,Kastner S.Push-pull mechanism of selective attention in human extrastriate cortex[J].J Neurophysiol,2004,92:622-629.

[13]Gazzaley A,Cooney JW,McEvoy K,et al.Top-down enhancement and suppression of the magnitude and speed of neural activity[J].J Cognit Neurosci,2005,17:507-517.

[14]Mao W,Wang Y.The active inhibition for the processing of visual irrelevant conflict information[J].Int J Psychophysiol,2008: 67:47-53.

[15]Hinojosa JA,Villarino A,Pozo MA,et al.An event-related potentials study of identity positive and negative priming[J].Int J Psychophysiol,2007,66:48-55.

[16]Wiggs CL,Martin A.Properties and mechanisms of perceptual priming[J].Curr Opin Neurobiol,1998,6:227-233.

[17]Henson RN,Rugg MD.Neural response suppression,haemodynamic repetition effects,and behavioral priming[J].Neuropsycholgia,2003,41:263-270.

[18]Wang HJ,Wang YP,Kong J,et al.Enhancement of conflict processing activity in human brain under task relevant condition[J].Neurosci Lett,2001,298:155-158.

2009-06-09收稿,2009-08-18修回