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固定位置區(qū)域提示下視覺注意范圍等級的ERP研究
固定位置區(qū)域提示下視覺注意范圍等級的ERP研究
1前言
視覺信息加工是知覺研究中的重要方面,選擇性注意在視覺加工中具有十分關(guān)鍵的作用,其中不同范圍注意的神經(jīng)機(jī)制至今還不明確。除了通過測量反應(yīng)時、眼動等外顯指標(biāo)外,ERP是一種很有效的研究手段。ERP不同成分中包含著豐富的腦加工時程與功能區(qū)分布的有關(guān)信息[1],分析這些信
息將有助于深入了解視覺中不同范圍注意的獨特機(jī)制。
20世紀(jì)中期已經(jīng)看到,識別提示下靶刺激的反應(yīng)時快于無提示靶刺激的反應(yīng)時,前者的準(zhǔn)確率也大于后者[2,3]。視覺空間注意的ERP研究提供了更多有力證據(jù),以往實驗結(jié)果認(rèn)為與視覺注意密切相關(guān)的成分包括C1(50~90ms)、P1(80~130ms)、N1(140~200ms)等[4]。在傳統(tǒng)實驗中,較經(jīng)典的兩種提示范式是符號性提示(symboliccue)和區(qū)域性提示(locatiocue)。符號性提示是通過箭頭等符號提示靶刺激將要出現(xiàn)的位置,區(qū)域性提示是通過閃爍等方式,直接標(biāo)示出靶刺激將要出現(xiàn)的區(qū)域。這兩種提示均得到了兩方面的結(jié)果:有提示靶刺激引起的P1、N1波幅大于無提示靶刺激引起的波幅[5];有效提示(提示信息為真)時的P1、N1波幅大于無效提示(提示信息為假或中性)的P1、N1波幅[6,7]。這兩類實驗范式研究了提示下視覺加工的機(jī)制,但都沒有關(guān)注到注意范圍大小的影響。在這兩種范式中也存在注意范圍的作用,但主要是空間方位的作用,即靶刺激出現(xiàn)在什么方位。
至今關(guān)于視覺注意范圍等級的ERP及其腦機(jī)制的研究還很少。在我們最近的研究中,涉及了視覺注意空間等級的腦機(jī)制研究,對空間注意的范圍進(jìn)行了分級[8,9]。三種不同大小的方框在屏幕的不同位置隨機(jī)出現(xiàn),令被試據(jù)此尋找并辨別靶刺激。結(jié)果發(fā)現(xiàn)靶刺激誘發(fā)的P1波幅隨提示范圍增大而增大,頭顱后部N1成分的波幅隨提示范圍增大而減小,而提示物誘發(fā)的頭顱后部N1成分的波幅隨提示范圍增大而增大。這項實驗研究了注意范圍因素對視覺加工的作用,但由于提示物出現(xiàn)的位置是隨機(jī)的,所以混入了空間方位因素的影響。
本實驗對于羅躍嘉等提出的空間注意分級方法進(jìn)行了改進(jìn),祛除了由于位置隨機(jī)呈現(xiàn)提示物而混雜的空間方位因素,首次使用固定位置提示研究空間注意范圍,純化了視覺注意范圍因素的效應(yīng),以便更深入的探討視覺注意空間等級的腦機(jī)制。實驗同時記錄提示物與靶刺激誘發(fā)的ERP,討論提示范圍大小和ISI(提示與靶刺激的間隔時間)對ERP的影響,進(jìn)而探討潛在的腦活動機(jī)制。
2實驗方法
2.1被試
為14名健康青年人(男性7名,女性7名),作為有償被試,皆首次參加ERP實驗。年齡范圍18~20歲(平均18.7歲),均為右利手,視力正;虺C正后正常。
2.2刺激材料
刺激在14″彩色顯示器上呈現(xiàn),刺激序列為“背景——提示——靶刺激”。背景為視角13°的白色圓,圓心位置有黑色小十字作為注視點。提示物為3種大小不同的黑色線條圓圈,圓心均在屏幕中點,直徑視角分別是11.4°、7.6°、3.8°。提示后同時呈現(xiàn)月牙形符號(視角為0.92°×0.76°)共11個,其中靶刺激為1個縱向月牙,凹面向左或向右;另外有10個橫向月牙為分心刺激,凹面向上或向下。所有月牙出現(xiàn)的位置是隨機(jī)的,且彼此間不重疊。除了10的刺激序列未進(jìn)入疊加,靶刺激總是出現(xiàn)在提示范圍內(nèi),即提示的有效性為100。提示與靶刺激之間的間隔(ISI)分為短(400~600ms)、長(600~800ms)兩組。
2.3ERP記錄
實驗儀器為NeuroScaERP工作站,采用電極帽記錄128導(dǎo)腦電。參考電極置于雙側(cè)乳突連線,前額接地,同時記錄水平眼電和垂直眼電。濾波帶通為0.10~40Hz,采樣頻率為500Hz/導(dǎo),頭皮電阻小于5千歐。分析時程(epoch)為1200ms,含基線200ms,自動矯正眨眼等偽跡,波幅大于±100(V者在疊加中被自動剔除)。
2.4程序與任務(wù)
如圖1(左)所示,首先呈現(xiàn)背景300ms,接著隨機(jī)呈現(xiàn)一個黑色線圈(共3種大。┳鳛椴煌⒁夥秶奶崾疚,時間為300ms。提示消失后,同時呈現(xiàn)11個月牙形的刺激物,其中只有1個豎向的月牙為靶刺激,另外10個為分心物;呈現(xiàn)時間為1200ms,以保證被試有足夠的識別時間。提示物與靶刺激之間的時間間隔(ISI)分為:短間隔400~600ms,長間隔600~800ms;兩種時間間隔等比例隨機(jī)出現(xiàn)。三種提示物出現(xiàn)的幾率相同,除了10的靶刺激出現(xiàn)在提示范圍之外,其余都出現(xiàn)在提示范圍以內(nèi)。被試的任務(wù)是根據(jù)縱向月牙凹面向左或向右,分別用左、右手拇指按鍵,但對于出現(xiàn)在提示范圍之外的靶刺激不做反應(yīng)。對被試反應(yīng)的正確性和反應(yīng)速度做同等強(qiáng)調(diào)。不同被試的左右手按鍵進(jìn)行組內(nèi)平衡。
附圖
圖1實驗流程圖(左)及記錄電極位置示意圖(右)
2.5ERP數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計
對EEG分類疊加,可得到3種不同提示物誘發(fā)的ERP,以及不同ISI和不同提示范圍內(nèi)反應(yīng)正確的6類靶刺激誘發(fā)的ERP。根據(jù)前人工作與本實驗?zāi)康模x取28個電極點進(jìn)行數(shù)據(jù)分析(見圖1右),CZ、C3、和C4及其以前的14個電極點視為頭顱前部,以后14個電極點
視為頭顱后部。地形圖由128枚電極記錄得出。根據(jù)ERP總平均圖和前人經(jīng)驗,對前后部頭顱分別進(jìn)行方差分析(ANOVA)。提示物誘發(fā)的ERP在頭皮前部的測量窗口為105~140ms(N1)、140~260ms(P2)、260~360ms(N2);后部為50~130ms(P1)、130~200ms(N1)、200~280ms(P2)、280~360ms(N2)。靶刺激誘發(fā)的ERP在頭皮前部的測量窗口為30~120ms(N1)、120~260ms(P2)、260~360ms(N2);后部為60~130ms(P1)、130~200ms(N1)、200~240ms(P2)、240~320ms(N2)。用統(tǒng)計軟件對上述各段波幅(峰-峰值)、潛伏期分別進(jìn)行3因素的方差分析,因素為刺激間隔(ISI)(2水平:短和長)、注意范圍(3水平:小、中和大)和記錄部位(頭顱前部:14水平;頭顱后部:14水平)。多因素方差分析的p值皆用Greenhouse-Geier法校正,并對數(shù)據(jù)進(jìn)行正;幚怼
3實驗結(jié)果
3.1行為數(shù)據(jù)
靶刺激識別的正確率,在短間隔時隨提示范圍的擴(kuò)大而降低,小、中、大范圍分別為:99.0、94.7、91.9。F(2,14)=73.56,p<0.001。在長間隔時,小、中、大范圍分別為:99.1、92.1、93.9。F(2,14)=80.32,p<0.001。反應(yīng)時(RT)在短間隔時,不同范圍提示的反應(yīng)時存在顯著差異,F(xiàn)(2,14)=9,34,p<0.001;經(jīng)LSD方法兩兩比較,小范圍提示(520ms)快于中范圍提示(543ms),p<0.05;大范圍提示(505ms)快于中范圍提示(543ms),p<0.001。在長間隔時,不同范圍提示的反應(yīng)時也存在顯著差異,F(xiàn)(2,14)=13.08,p<0.001;經(jīng)LSD方法兩兩比較,小范圍提示(524ms)快于中范圍提示(561ms),p<0.05;大范圍提示(518ms)快于中范圍提示(561ms),p<0.001。值得注意的是,無論短間隔還是長間隔,小范圍與大范圍之間的反應(yīng)時都沒有顯著性差異。
在小和大范圍提示下,不同ISI對于反應(yīng)時無明顯影響,而在中等提示范圍時,短間隔的反應(yīng)時(543ms)比長間隔的反應(yīng)時(561)快,F(xiàn)(2,14)=4.43,p<0.05。
3.2ERP數(shù)據(jù)
3.2.1提示物誘發(fā)的ERP成分
提示物產(chǎn)生的ERP總平均圖見圖2所示。P1成分在后部頭顱波形較明顯,但其波幅與潛伏期均沒有表現(xiàn)出注意范圍因素的主效應(yīng)。
前部N1的潛伏期有顯著的注意范圍與記錄部位兩個因素的交互主效應(yīng),F(xiàn)(26,338)=5.79,p<0.001,在三種注意范圍提示下,均在右側(cè)額葉和中央部潛伏期最短(C4、CZ、FC4)。后部N1的波幅也有顯著的注意范圍與記錄部門兩個因素的交互主效應(yīng),F(xiàn)(26,338)=2.75,p<0.05;在三種注意范圍時,后部N1均在右側(cè)顳后部(PO6)波幅最大,小、中、大范圍分別為3.3±1.3μV、4.0±1.4μV、3.8±1.2μV。
提示范圍顯著影響前部P2潛伏期,F(xiàn)(2,26)=8.31,p<0.01,小、中、大范圍的潛伏期逐漸延長,分別為214±7.0ms、222±8.2ms、230±5.5ms。另外對前部和后部N2的波幅都有顯著主效應(yīng),F(xiàn)(2,26)=20.15,p<0.001;F(2,26)=4.78,p<0.05。小、中、大提示范圍誘發(fā)的波幅依次減小,在前部分別為4.9±0.49μV、4.73±0.50μV、3.2±0.30μV;在后部分別為2.3±0.32μV、2.4±0.30μV、1.52±0.26μV。
附圖
圖2三種提示物誘發(fā)的ERP總平均圖
3.2.2靶刺激誘發(fā)的P1、N1成分
后部P1成分在長刺激間隔時比短刺激間隔條件下波幅顯著增大,F(xiàn)(1,13)=7.09,p<0.05(短間隔,2.6±0.42μV;長間隔,3.4±0.36μV)。各因素對于P1潛伏期均無顯著性主效應(yīng)。
前部N1波幅受到刺激間隔的顯著影響,F(xiàn)(1,13)=33.55,p<0.001(短間隔,2.4±0.55μV;長間隔,0.53±0.31μV)。N1波幅與潛伏期均無注意范圍的主效應(yīng)。
后部P2波幅在右側(cè)顳后部最大(PO6,8.9±1.7μV),F(13,169)=4.60,p<0.01。短間隔時比長間隔時的P2波幅較大,F(xiàn)(1,13)=8.82,p<0.05(短間隔,8.2±1.0μV;長間隔,7.9±1.0μV)。另外還表現(xiàn)出了注意范圍與記錄位置的交互效應(yīng),F(xiàn)(26,338)=2.79,p<0.05。注意范圍顯著影響后部P2潛伏期,F(xiàn)(13,169)=3.99,p<0.05,小、中、大范圍分別為:223±2.5ms,222±2.4ms,220±2.8ms。而前部P2波幅在小、中、大注意范圍時分別為9.4±0.90μV,8.5±0.85μV,8,59±0.72μV,有顯著差異,F(xiàn)(13,169)=3.42,p<0.05。
后部腦區(qū)N2波幅在短間隔時小于長間隔(短間隔,2.6±0.42μV;長間隔,3.0±0.42μV),F(xiàn)(1,13)=7.54,p<0.05;但N2波幅與潛伏期都沒有注意范圍的主效應(yīng)。前部腦區(qū)N2的波幅和潛伏期在不同注意范圍時有顯著差異,F(xiàn)(2,26)=10.13,p<0.01,小、中、大范圍的波幅分別為:6.3±0.49μV,7.6±0.52μV,7.5±0.53μV。最大波幅位于額葉前部(FZ,8.2±0.56μV;FCZ,8.2±0.67μV),F(13,169)=4.30,p<0.01。小、中、大范圍的潛伏期分別為:288±4.0ms,294±3.8ms,296±3.6ms,F(2,26)=6.22,p<0.01。(ERP波形見圖3)
附圖
圖3靶刺激誘發(fā)的ERP總平均圖和腦地形圖,前部P2、N2成分(FZ記錄點)。
4討論
本實驗為進(jìn)一步研究視覺選擇性注意中有關(guān)注意范圍加工的腦機(jī)制,在以前實驗的基礎(chǔ)上提出了一種新的實驗范式,給視覺空間注意的注意范圍等級效應(yīng)提供了新的電生理學(xué)證據(jù)。實驗得到了有關(guān)注意范圍加工時程和腦功能分布的初步結(jié)果,發(fā)現(xiàn)改變有效提示注意
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