基于事件相关设计的动态面部表情识别神经基础研究

基于事件相关设计的动态面部表情识别神经基础研究

抑郁是抑郁的重要症状之一。Beck认为抑郁症患者存在负性认知模式,倾向于将正性和中性情绪内容识别为负性刺激,因此容易对自我、他人以及整个世界产生负性评价,但这种负性认知产生的神经基础尚不明确。根据注意理论,如果将注意力集中在某一方面,则对该方面来说是明确加工,对另一方面来说是不明确加工,而面孔加工可分为面孔身份加工和面部表情加工,两者均存在明确加工和不明确加工。面部表情识别是了解情绪加工的重要手段之一,将其应用于抑郁症患者可以有效地探讨抑郁症负性认知的加工特点及神经基础。流行病学表明女性抑郁症的发病率及患病率均明显高于男性,在青春早期抑郁症性别差异已开始出现,这种性别上的差异可能与遗传学、神经生物学、环境等因素相关,且不同性别在情绪识别上存在差异。本研究旨在利用功能磁共振成像(functionalmagneticresonanceimaging,fMRI)技术以及性别识别和表情类型识别实验范式来探讨女性抑郁症患者面部表情明确和不明确加工的神经基础的特点。1对象和方法1.1目标1.1.1重性抑郁诊断标准2005年1月至2007年3月南京医科大学附属脑科医院的重性抑郁住院患者。共入组15例女性抑郁症患者,符合中国精神疾病诊断与分类标准第三版(CCMD-3)单相抑郁症诊断标准,同时符合美国精神障碍诊断与统计学手册第四版(DSM-IV)重性抑郁诊断标准;均为反复发作者,复发次数2-4次;年龄23-54岁(41±11岁);受教育年限8-14年(11.4±3.4年);病程6月-22年(5.7±8.5年);24项汉密尔顿抑郁量表(HAMD24)总分均>35分,平均为52.1±9.7分。所有受试者既往主要用选择性5-羟色胺再摄取抑制剂抗抑郁治疗,入组前至少有2周的药物清洗期;排除了神经系统和其他精神障碍性疾病、严重躯体疾病、药物和/或酒精依赖者。为保证一致性,所有相关评定均由1名经过专门量表培训的精神科副主任医师于扫描当天完成。入组15例女性抑郁症患者评定结果全部有效。1.1.2入组一般资料情况与患者居住地相同且性别、年龄、受教育程度均与患者1∶1相匹配(年龄、受教育年限相差均小于2年)。无精神疾病家族史,精神卫生筛选表及神经症筛选表排除个人精神疾病史,排除伴有神经系统疾病、严重躯体疾病、药物和/或酒精依赖者。扫描前通过焦虑自评量表及抑郁自评量表排除焦虑及抑郁情绪状态。共入组15例,年龄23-52岁(41±11岁);受教育年限8-17年(11.7±4.1年)。入组15例正常对照组评定结果全部有效。两组年龄(t=0.208,P=0.838)、受教育年限(t=-0.405,P=0.691)均无显著性差异,一般人口学资料均相匹配。均为右利手,听力、视力正常。本研究获南京医科大学医学伦理会批准,实验前告知实验内容,并由本人或家属签署知情同意书。1.2方法1.2.1图像片段系统本实验共包括100个视频片断,其中愉悦、悲伤、咀嚼、无面部动作及十字架各20个。除十字架外,每种表情视频片断男女各10个。视频片断选自中国面部表情视频系统(ChineseFacialExpressionVideoSystem,CFEVS)。通过视频软件Uleadvideostudio9.0(Uleadcompany,中国台湾)把表情视频统一为持续3秒的表情片断,为消除预期效应,短片以伪随机次序播放,同时以不同时间长度的灰屏片段间隔。1.2.2间/回波时间采用美国美商奇异公司生产的GE-Singa1.5T磁共振成像仪。①解剖定位像:采用液体抑制反转恢复序列(T1flaire)采集,轴位27层,与前后联合连线平行。脉冲重复时间/回波时间(TR/TE)=2000ms/7.3ms,层厚4mm,图像范围(FOV)=240mm×240mm,矩阵(matrix)=256×160。②功能扫描:根据本磁共振仪的实时功能成像程序(real-timeimagingprocessing,RTIP)采集方式,采用梯度回波-回波平面成像(Gradient-RecalledEcho-PlanarImaging,GRE-EPI)序列采集,TR/TE=3000ms/40ms,matrix=64×64,共27层,FOV=240mm×240mm,层厚=4mm。1.2.3视频片的安装通过投影仪把视频投放在机房内的屏幕上,受试者入仓后通过头上方的反光镜观看屏幕上的视频片断。受试者双眼与屏幕的距离固定。视频片断在屏幕上的位置固定,大小以受试者能舒适地看全表演者面部为准。行为学数据通过PRESENTATION软件采集。1.2.4不明确识别任务采取事件相关设计方案,长度不同的表情视频片断交替出现,以排除预期效应。明确识别任务,即要求受试者尽快判断视频表情,通过反应键盒完成;不明确识别任务,即要求受试者判断表情视频演员的性别(此时短片中演员的表情为不明确识别对象)。所有受试者均用右手按键,按键的手指次序在受试者之间予以均衡。扫描前,均做一定练习确保按键准确无误。扫描过程中记录受试者的行为学数据,包括反应时间和判断结果。扫描完毕后,请受试者对所看到的表情视频的愉悦度、唤醒度及表情类型做评判,愉悦度和唤醒度采用自我报告形式的9分制评分,详细评判方法参见本课题组以前的研究。1.2.5模型估计及统计分析图像数据经转化格式,采用statisticalparametricmapping(SPM)2软件进行图像对齐、头动矫正、标准化及高斯平滑等预处理后建立模型并做估计,然后采用两组间配对t检验做统计分析,设对比有差异(P<0.001,未校正)的体素范围(K值)≥10为具有显著性差异。将所获得的MNI坐标转换为Talairach坐标,查看激活脑区的解剖位置。采用SPSS11.5软件对面部表情视频的愉悦度、唤醒度及性别识别正确率做描述性分析。2结果2.1两组患者识别结果评测结果表明,抑郁组与对照组观看动态表情时均可引出相应的情感反应及一定的唤醒度,提示刺激材料适用。与对照组相比,患者识别喜悦和悲伤表情的一致率无明显差异,而识别中性表情的一致率有明显差异;与此相反,患者对喜悦和悲伤表情的愉悦度和唤醒度评价有明显差异,而对中性表情的愉悦度和唤醒度评价无明显差异(表1)。2.2两组功能磁共振结果的比较2.2.1体素范围比较BA:Brodmann区;P<0.001,未校正,体素范围(K值)≥10为具有显著性差异。BA:Brodmann区;P<0.001,未校正,体素范围(K值)≥10为具有显著性差异。2.2.2两组人对动态悲伤表情的激活区域进行了比较见表3、图3和图43抑郁症患者动态温度检测本研究创新性地利用动态的面部表情短片作为刺激材料,通过观察、分析表情识别(明确情绪识别)和性别识别(不明确情绪识别)两种任务状态下情绪性面孔所激活的脑区来探讨表情情绪明确和不明确加工的神经基础。研究发现,在明确识别喜悦表情时,抑郁症患者右枕中回、右顶下小叶、右楔前回及双侧中央后回等脑区活动增加,而双侧顶上小叶等脑区活动降低。既往研究发现,面部运动的感知会激活顶内沟,而想象运动能够激活一个包括初级运动区、辅助运动区、顶叶皮质及枕叶皮质等脑区的神经网络。本研究结果提示在明确识别动态喜悦表情时抑郁症患者不能充分感知动态表情所包含的面部运动(未见顶内沟活动增高),只能通过增加想象运动来获得该情绪性刺激所代表的情绪状态(表现为想象运动相关的脑区活动增加),结合抑郁症患者与正常人在与喜悦相关的脑区(如前额皮质、扣带回以及基底神经节等)上无差异的结果,可推测明确加工正性情绪时抑郁症患者与正常人无明显差异,差异主要表现为感知面部运动能力降低。而在不明确识别喜悦表情时,抑郁症患者右顶下小叶活动增加,而右楔叶、右中央后回及左顶上小叶活动降低。这与明确识别时的结果相似,表现为抑郁组与对照组在与喜悦相关的脑激活区方面无差异,差异主要在面部运动感知方面。然而,值得注意的是,不明确识别时抑郁组与对照组感知面部运动能力的差异与明确识别时相反,表现为抑郁症患者更容易感知面部的运动变化。既往有研究发现,抑郁症患者对负性刺激的偏移在不明确条件下更为明显。本研究显示抑郁症患者在感知动态表情面部运动变化方面亦具有该特征。本研究亦发现,在明确识别悲伤表情时,抑郁症患者活动增高的脑区包括右枕中回、左中央后回、左楔前叶以及右侧海马等,而活动降低的脑区包括左额中回。既往研究发现海马参与情绪性面孔的明确和不明确加工,然而一项采用单神经元记录的研究发现,海马主要参与面部表情的熟悉性加工,而不是面部表情自身,提示在面部表情加工中海马的激活主要是参与记忆提取。而初级躯体感觉皮质及视觉相关皮质的活动增高反映抑郁症患者在明确识别悲伤表情时产生了更多的躯体感觉,有助于产生相应的情绪状态。尽管许多研究发现楔前叶参与面部表情加工,但其确切作用尚不清楚,因此很难解释抑郁症患者与正常对照该脑区活动的差异。另外,本研究发现抑郁症患者明确识别悲伤表情时前额皮活动降低。既往研究发现前额皮质主要负责感觉信息包括面部表情的整合加工,抑郁症患者前额皮质活动降低,提示抑郁症患者在明确加工负性情绪时大脑整合功能降低。总之,在明确加工悲伤表情时,抑郁症患者会产生更强的躯体感觉,回忆更多的相关内容,从而引起更强烈的情绪体验,但对该情绪性刺激及情绪体验进行整合加工的功能降低。在不明确识别悲伤表情时,抑郁症患者活动增高的脑区包括左梭状回、右中央后回、右楔前叶、左颞上回、左缘上回、双侧海马旁回、左后扣带回、右豆状核、右侧丘脑以及左侧中脑等,而活动减低的脑区包括右中央后回、双侧颞上回、右豆状核以及左侧丘脑等。既往研究发现抑郁症患者不明确识别悲伤表情时海马旁回、梭状回及壳核活动增高,且海马旁回及梭状回活动随悲伤程度增加而增强。一项采用go/nogo实验范式的fMRI研究发现抑郁症患者识别情绪性刺激时颞叶皮质、中央后回等脑区活动降低。既往研究发现丘脑参与情绪感知和调节,而本研究发现抑郁症患者不明确识别悲伤表情时右侧丘脑活动增强而左侧丘脑活动减弱,结合抑郁症患者情绪感知能力增强而情绪调节能力减弱这一观点,我们推测右侧丘脑负责悲伤表情的不明确感知,而左侧丘脑负责悲伤表情的调节。与此相似的是,在情绪加工中,右侧前扣带回膝下区促使内脏反应的生成,而左侧膝下区负责调节该反应。总之,在悲伤表情的不明确感知中,抑郁症患者与情绪产生有关的脑区(如边缘系统及皮质下区)活动增强,而与情绪调节有关的脑区活动减弱。值得注意的是,与明确识别悲伤表情情感相比,抑郁症患者不明确识别悲伤表情情感激活了一个包括皮质区、边缘区以及皮质下区的分布式神经网络,但未见前额皮质活动的降低,提示抑郁症患者对负性刺激的加工在无意识状态更为明显,而在有意识加工负性刺激时抑郁症患者前额皮质活动偏低。综上所述,无论是在明确任务或不明确任务下,抑郁症患者与正常对