图形形状和空间位置知觉任务的erp特征

图形形状和空间位置知觉任务的erp特征

认知神经系统最重要的成就之一是发现了一系列与灵长动物皮层特征（“what”）相关的视觉加工和功能分离路径。一个与物体的形状和颜色相关的腹部侧路沿基底的倾斜方向分布，并从初始视角度分配到v1和v2区域，从初始视方的角度分配到v2和v3区域。这种理论在电生理学和神经心理学上得到了大量的证据支持。此外,来自心理学的视觉搜索和错觉性结合的行为实验研究也支持了对物体简单特征的并行分离加工的观点。然而,这样的简单的二分法也存在着不可回避的问题,特别是在两条通路的关系上,“把视皮层简单地划分为颞叶和顶叶两个系统,使得中间的视觉处理过程变得模糊而不确定”,例如,如果刺激任务同时涉及的是两种分别由两条通路处理的特征,如形状和空间位置,这时在大脑皮层的活动是如何反应的?特别是,与只涉及单纯的形状特征加工相比,大脑的活动有什么差别?事件相关电位(ERP)通过无创伤地记录头皮的电位,反映的是大脑在特定事件的信息处理过程中一群同时被激活的神经元的突触后电位的总和;ERP波形中的正波成分和负波成分的波幅可以反映心理过程的强度;ERP的潜伏期可以实时(毫秒级)反映神经活动的时间过程的头皮分布在一定程度上还可以反映激活区域的神经解剖位置因此事件相关电位被认为是反映大脑认知活动的直接窗口。本实验就拟通过ERP技术,来探讨对物体的单一形状特征的判断与同时涉及物体的形状和空间位置两种特征的判断时的ERP反应的特征和差别。同时,我们尝试采用脑电低分辨率断层成象技术(LORETA)以研究ERP产生的神经机制。该技术通过假设脑内相邻区域的协同活动,由在头皮上记录的电信号直接计算脑皮层区域内的电流分布。1方法1.1测试对象10名视力正常或矫正后正常的研究生与本科生参加了实验。他们之中男性6名,女性4名,年龄为22-29岁。所有被试均为右利手。1.2注视点及其图形刺激图形呈现在ViewSonic6E监视器上,屏幕距被试60cm,屏幕的背景为黑色,背景区域长9度,宽22.7度,实验过程中在屏幕中央始终呈现一个绿色“+”字作为注视点。刺激图形为相同视角(4°×4°)的圆形或者正三角形,在注视点的两侧同时呈现,距离注视点4.5°。对单纯的形状知觉任务,注视点两侧呈现的是相同的图形;对形状和空间位置知觉任务,注视点两侧呈现的是不同的图形。刺激图形均由NEUROSCAN公司的STIM软件包产生,并由它产生实验的随机刺激序列。刺激呈现时间为200ms,刺激间隔时间(ISI)随机分布在1200-1500ms之间。1.3模拟任务设计实验由两种任务组成:任务1,单纯的形状知觉实验,一对相同的图形同时呈现在注视点的左右侧,图形是三角形还是圆形的呈现顺序等概率随机;任务2,形状和空间位置知觉实验,一对不同的图形三角形和圆形分别出现在注视点的两侧,三角形或圆形在一侧呈现的顺序等概率随机。被试的任务是,在盯住注视点的条件下,注意两侧出现的图形,判断图形的形状或者空间位置,并按相应的左键或右键反应。单纯的形状知觉任务(Task1)要求被试判断呈现的图形是三角形还是圆形,形状和空间位置知觉任务(Task2)要求被试判断三角形或者圆形出现在注视点的左侧还是右侧。按键反应的速度要求和准确性要求是同等的。每种任务都包含4组实验。每组由100个试验组成。每个被试在正式实验之前,要对每种任务各进行2组练习。正式实验的所有8组实验的次序,在被试间随机。1.4实验数据与erp测量选用大小合适的电极帽,用导电胶使电极与被试头皮接触,使各导联阻抗均低于5kΨ。除记录对刺激任务的反应时和反应准确性外,我们主要记录了120导的脑电数据和3导眼电数据。120个脑电极均匀分布于颅骨表面,电极的三维坐标位置通过3DSPACEISOTRACKII数字化仪采集。水平眼电电极分别位于左右外眦外侧1.5cm。左右两导垂直眼电电极分别位于左右两眼的上下方。参考电极为左右耳垂电极的连接,头顶中央电极接地。脑电记录采用NEUROSCAN脑电系统,放大器的带通频率为0.1-40Hz,采样频率为250Hz,采样精度为16位,放大500倍。EEG包含眨眼、眼动等伪迹时,实验中提示被试纠正,脱机处理时予以剔除。ERP测量在枕颞部电极位置102和108以及额部电极6和9上进行。对102与108,分析P1,N1,P2,N2和P3的峰值和峰潜伏期;对6和9,分析P2的峰值和峰潜伏期。行为数据和ERP数据采用SPSSV8.0软件的MANOVA程序进行统计分析。分析因素包括:刺激任务(任务1:形状知觉实验;任务2:形状和空间位置知觉实验)和电极位置(左枕颞部电极:102,右枕颞部电极108;左额部电极:6,右额部电极:9)。对任务1和任务2各自得到的ERP结果,首先使用SCAN4.1软件对所有被试的平均波形作脑电地形图分析。其次,使用EMSE2.21(ElectroMagenticSourceEstimation)软件提供的低分辨率断层成像技术(LORETA)对平均ERP进行源定位。对两种任务的差别波形,也先进行地形图分析,再作低分辨率断层成像进行源定位。使用EMSE2.21进行源定位分析时,采用的是3层同心球模型,以左右耳前点的中点为坐标原点,原点指向鼻根的直线为X正轴,原点指向左耳前点的直线为Y正轴,由原点向上,垂直于XY平面的直线为Z正轴。2结果2.1组任务2:c在两种任务下,反应正确率差别没有达到统计显著性(任务1:94.8%±4.0%;任务2:96.2%±2.7%,P>0.1);但其反应时有显著差别(任务1:374±53ms;任务2:319±55ms;P<0.01)。2.2任务和电极位置因素的影响图1给出了两种任务下,枕颞区左侧导联102与右侧导联108,前额左侧导联6与右侧导联9的10名被试平均ERP波形,其中,细与粗曲线分别对应任务1和任务2。从图1可以一致地观察到,两种任务都在大脑后部区域表现出较弱的P1波,非常显著的N1波,显著的P2波,N2波以及P3波,在大脑前额区域表现出显著的P2波,它们的波形和潜伏期都很相似。各波的10个被试的平均峰值和峰潜伏期的值,都详细列于表1中。对这些差异的2×2方差分析表明:对枕颞区导联102与108:在P1的峰值上,任务因素的影响没有达到统计意义的差别(F(1,9)=0.35,p>0.1),电极位置因素的影响接近统计意义的差别(F(1,9)=3.50,p=0.094);在P1的峰潜伏期上,任务和电极位置两个因素的影响都没有达到统计意义的差别(任务:F(1,9)=2.02,p>0.1;电极位置:F(1,9)=2.65,p>0.1)。在N1的峰值上,任务和电极位置两个因素的影响都没有达到统计意义的差别(任务:F(1,9)=1.99,>0.1;电极位置:F(1,9)=0.04,>0.1);在N1的峰潜伏期上,任务因素的影响没有达到统计意义的差别(F(1,9)=0.47,p>0.1),电极位置因素的影响接近统计意义的差别(F(1,9)=4.16,p=0.072)。在P2的峰值上,任务因素的影响接近统计意义的差别(F(1,9)=5.45,p=0.067),电极位置因素的影响没有达到统计意义的差别(F(1,9)=0.08,p>0.1);在P2的峰潜伏期上,任务和电极位置两个因素的影响都没有达到统计意义的差别(任务:F(1,9)=0.002,p>0.1;电极位置:F(1,9)=1.46,p>0.1)。在N2的峰值上,任务因素的影响达到统计意义的差别(F(1,9)=5.84,p=0.039),电极位置因素的影响没有达到统计意义的差别(F(1,9)=0.52,p>0.1);在N2的峰潜伏期上,任务和电极位置两个因素的影响都没有达到统计意义的差别(任务:F(1,9)=0.82,p>0.1;电极位置:F(1,9)=0.09,p>0.1)。在P3的峰值上,任务和电极位置两个因素的影响都没有达到统计意义的差别(任务:F(1,9)=0.66,p>0.1;电极位置:F(1,9)=3.10,p>0.1),但任务和电极位置两个因素之间的交互作用达到统计意义的差别(F(1,9)=7.15,p=0.025);在P3的峰潜伏期上,任务因素的影响达到统计意义的差别(F(1,9)=8.04,p=0.02),电极位置因素的影响没有达到统计意义的差别(F(1,9)=0.31,p>0.1),任务和电极位置两个因素之间的交互作用达到统计意义的差别(F(1,9)=8.41,p=0.018)。对前额区导联6与9:在P2的峰值上,任务因素的影响达到统计意义的差别(F(1,9)=12.1,p=0.007),电极位置因素的影响没有达到统计意义的差别(F(1,9)=0.53,p>0.1);在P2的峰潜伏期上,任务和电极位置两个因素的影响都没有达到统计意义的差别(任务:F(1,9)=0.46,p>0.1;电极位置:F(1,9)=0.028,p>0.1)。为了探索对单纯形状与形状和空间位置的特征加工时的ERP反应特征及其脑区的差别,我们在上述简单常规分析的基础上,首先对两种任务下的平均ERP和两种任务的差别ERP(任务1-任务2)进行脑电地形图分析。图2给出了120-296ms的脑电地形图结果:两种任务都清楚地表现出相当一致的大脑活动过程:从136ms左右开始出现的大脑后部两侧枕颞区的激活,在N1的峰值152ms左右达到最大,然后逐渐减弱,在200ms左右变成主要在左侧枕颞区的激活,在N2的峰值248ms左右达到最大,然后逐渐减弱,并且开始出现与P3波相应的大脑中后部的激活。此外,在170-200ms左右,两种任务都在大脑前额区域表现出显著的活动。并且,两种任务的差别波(dN2)主要表现在左侧枕颞区的激活上,单纯形状知觉的激活强度明显高于形状和空间位置的知觉。特别地,我们对两种任务的最显著成分N1波和差别波dN2进行了断层图分析,结果如图3所示,低分辨率断层成像的源定位分析清晰地显示:在N1波段,形状和空间位置的特征加工与单纯形状的特征加工的激活都主要发生在大脑后部枕颞区域,而它们的差别波段dN2则主要发生在左侧枕颞区和前额区。3功能定位的分离对分配注意(Dividedattention)的行为实验研究发现,注意同时涉及分属于两个物体的特征的知觉判断比仅涉及一个物体的单一特征的知觉判断更难,但注意同时涉及一个物体的两种特征的知觉判断并不比仅作一个判断难。并且,对两类在不同的通路(“what”vs.“where”)中加工的特征的分配注意研究发现,无论是属于同一条通路加工的同类特征,还是属于不同通路加工的不同类特征,如果这两种特征属于不同物体,则在这两种特征的判断时可以观察到很强的互相干扰;而如果这两种特征属于同一个物体,则不存在干扰。这些结果提示视觉注意对物体特征在“what”和“where”这两条通路中的加工是并行协作处理的:大脑可以在不需要额外的代价下,同时使用视觉不同通路对同一物体的不同特征的加工处理的输出结果。并且,我们通过功能磁共振成像和脑电定位相结合对运动形成的图形的研究发现,运动形成的图形是同时引起背侧区域和腹侧区域的激活,也支持了在功能定位上分离的两条通路存在着协同工作的观点。与上述结果一致,本实验的行为实验结果发现仅涉及形状知觉的任务和同时涉及形状与空间位置知觉任务之间并没有表现出正确率上的差别,并且在反应时上表现出同时涉及物体的形状和空间位置两种特征的知觉判断比仅对形状特征作判断更快,但这种反应时差别的可能由于被试的按键反应产生的进一步地,本实验的ERP结果发现,形状知觉任务与形状和空间位置知觉任务的ERP表现出相当类似的ERP波形特征和反应,最显著的N1成分来自大脑后部枕颞区的激活,提示两种任务可能都涉及了与物体形状加工有关的腹侧区域。并且,本实验发现两种任务的大脑后部ERP差别主要表现在N2波的峰值和P3的潜伏期上:形状和空间位置两种特征的判断比单一形状特征的判断的N2波的峰值显著减低,而P3的潜伏期显著提早。而以往的ERP研究表明,ERP成分中的P3波与认知活动密切相关,P3的峰潜伏期反映了刺激评价所需要的时间;P3波幅反映任务的难易程度或者被试对反应的自信程度。本实验发现的P3波的峰潜伏期显著差别,提示对同时涉及形状和空间位置两种特征加工的刺激评价要早于对仅涉及形状特征加工的刺激评价,支持了“what”和“where”通路中的加工存在并行协作的观点。此外,从本实验中得到差别波dN2的时间和分布来看,dN2与选择性注意研究中的选择性负波(Selectionnegativity)相似,反映了注意对特定特征的处理过程,表明注意在从处理单一的形状特征到同时处理形状和空间位置两种特征时,大脑活动性的差别发生在左侧枕颞区。这个结果与PET实验得到的同一物体两种特征的分散注意和单一特征的注意的差别主要发生在大脑左侧一致。而在前额区域也发现两种任务的ERP差别