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固定位置区域提示下视觉注意范围等级的ERP研究
固定位置区域提示下视觉注意范围等级的ERP研究
1前言
视觉信息加工是知觉研究中的重要方面，选择性注意在视觉加工中具有十分关键的作用，其中不同范围注意的神经机制至今还不明确。除了通过测量反应时、眼动等外显指标外，ERP是一种很有效的研究手段。ERP不同成分中包含着丰富的脑加工时程与功能区分布的有关信息[1]，分析这些信
息将有助于深入了解视觉中不同范围注意的独特机制。
20世纪中期已经看到，识别提示下靶刺激的反应时快于无提示靶刺激的反应时，前者的准确率也大于后者[2,3]。视觉空间注意的ERP研究提供了更多有力证据，以往实验结果认为与视觉注意密切相关的成分包括C1(50～90ms)、P1(80～130ms)、N1(140～200ms)等[4]。在传统实验中，较经典的两种提示范式是符号性提示(symboliccue)和区域性提示(locatiocue)。符号性提示是通过箭头等符号提示靶刺激将要出现的位置，区域性提示是通过闪烁等方式，直接标示出靶刺激将要出现的区域。这两种提示均得到了两方面的结果：有提示靶刺激引起的P1、N1波幅大于无提示靶刺激引起的波幅[5]；有效提示（提示信息为真）时的P1、N1波幅大于无效提示（提示信息为假或中性）的P1、N1波幅[6,7]。这两类实验范式研究了提示下视觉加工的机制，但都没有关注到注意范围大小的影响。在这两种范式中也存在注意范围的作用，但主要是空间方位的作用，即靶刺激出现在什么方位。
至今关于视觉注意范围等级的ERP及其脑机制的研究还很少。在我们最近的研究中，涉及了视觉注意空间等级的脑机制研究，对空间注意的范围进行了分级[8,9]。三种不同大小的方框在屏幕的不同位置随机出现，令被试据此寻找并辨别靶刺激。结果发现靶刺激诱发的P1波幅随提示范围增大而增大，头颅后部N1成分的波幅随提示范围增大而减小，而提示物诱发的头颅后部N1成分的波幅随提示范围增大而增大。这项实验研究了注意范围因素对视觉加工的作用，但由于提示物出现的位置是随机的，所以混入了空间方位因素的影响。
本实验对于罗跃嘉等提出的空间注意分级方法进行了改进，祛除了由于位置随机呈现提示物而混杂的空间方位因素，首次使用固定位置提示研究空间注意范围，纯化了视觉注意范围因素的效应，以便更深入的探讨视觉注意空间等级的脑机制。实验同时记录提示物与靶刺激诱发的ERP，讨论提示范围大小和ISI（提示与靶刺激的间隔时间）对ERP的影响，进而探讨潜在的脑活动机制。
2实验方法
2.1被试
为14名健康青年人（男性7名，女性7名），作为有偿被试，皆首次参加ERP实验。年龄范围18～20岁（平均18.7岁），均为右利手，视力正常或矫正后正常。
2.2刺激材料
刺激在14″彩色显示器上呈现，刺激序列为“背景——提示——靶刺激”。背景为视角13°的白色圆，圆心位置有黑色小十字作为注视点。提示物为3种大小不同的黑色线条圆圈，圆心均在屏幕中点，直径视角分别是11.4°、7.6°、3.8°。提示后同时呈现月牙形符号（视角为0.92°×0.76°）共11个，其中靶刺激为1个纵向月牙，凹面向左或向右；另外有10个横向月牙为分心刺激，凹面向上或向下。所有月牙出现的位置是随机的，且彼此间不重叠。除了10的.刺激序列未进入叠加，靶刺激总是出现在提示范围内，即提示的有效性为100。提示与靶刺激之间的间隔(ISI)分为短(400～600ms)、长(600～800ms)两组。
2.3ERP记录
实验仪器为NeuroScaERP工作站，采用电极帽记录128导脑电。参考电极置于双侧乳突连线，前额接地，同时记录水平眼电和垂直眼电。滤波带通为0.10～40Hz，采样频率为500Hz／导，头皮电阻小于5千欧。分析时程(epoch)为1200ms，含基线200ms，自动矫正眨眼等伪迹，波幅大于±100（V者在叠加中被自动剔除）。
2.4程序与任务
如图1（左）所示，首先呈现背景300ms，接着随机呈现一个黑色线圈（共3种大小）作为不同注意范围的提示物，时间为300ms。提示消失后，同时呈现11个月牙形的刺激物，其中只有1个竖向的月牙为靶刺激，另外10个为分心物；呈现时间为1200ms，以保证被试有足够的识别时间。提示物与靶刺激之间的时间间隔(ISI)分为：短间隔400～600ms，长间隔600～800ms；两种时间间隔等比例随机出现。三种提示物出现的几率相同，除了10的靶刺激出现在提示范围之外，其余都出现在提示范围以内。被试的任务是根据纵向月牙凹面向左或向右，分别用左、右手拇指按键，但对于出现在提示范围之外的靶刺激不做反应。对被试反应的正确性和反应速度做同等强调。不同被试的左右手按键进行组内平衡。
附图
图1实验流程图（左）及记录电极位置示意图（右）
2.5ERP数据分析与统计
对EEG分类叠加，可得到3种不同提示物诱发的ERP，以及不同ISI和不同提示范围内反应正确的6类靶刺激诱发的ERP。根据前人工作与本实验目的，选取28个电极点进行数据分析（见图1右），CZ、C3、和C4及其以前的14个电极点视为头颅前部，以后14个电极点
视为头颅后部。地形图由128枚电极记录得出。根据ERP总平均图和前人经验，对前后部头颅分别进行方差分析(ANOVA)。提示物诱发的ERP在头皮前部的测量窗口为105～140ms(N1)、140～260ms(P2)、260～360ms(N2)；后部为50～130ms(P1)、130～200ms(N1)、200～280ms(P2)、280～360ms(N2)。靶刺激诱发的ERP在头皮前部的测量窗口为30～120ms(N1)、120～260ms(P2)、260～360ms(N2)；后部为60～130ms(P1)、130～200ms(N1)、200～240ms(P2)、240～320ms(N2)。用统计软件对上述各段波幅（峰－峰值）、潜伏期分别进行3因素的方差分析，因素为刺激间隔(ISI)（2水平：短和长）、注意范围（3水平：小、中和大）和记录部位（头颅前部：14水平；头颅后部：14水平）。多因素方差分析的p值皆用Greenhouse-Geier法校正，并对数据进行正常化处理。
3实验结果
3.1行为数据
靶刺激识别的正确率，在短间隔时随提示范围的扩大而降低，小、中、大范围分别为：99.0、94.7、91.9。F(2,14)=73.56,p＜0.001。在长间隔时，小、中、大范围分别为：99.1、92.1、93.9。F(2,14)=80.32,p＜0.001。反应时(RT)在短间隔时，不同范围提示的反应时存在显著差异，F(2,14)=9,34,p＜0.001；经LSD方法两两比较，小范围提示(520ms)快于中范围提示(543ms),p＜0.05；大范围提示(505ms)快于中范围提示(543ms),p＜0.001。在长间隔时，不同范围提示的反应时也存在显著差异，F(2,14)=13.08,p＜0.001；经LSD方法两两比较，小范围提示(524ms)快于中范围提示(561ms),p＜0.05；大范围提示(518ms)快于中范围提示(561ms),p＜0.001。值得注意的是，无论短间隔还是长间隔，小范围与大范围之间的反应时都没有显著性差异。
在小和大范围提示下，不同ISI对于反应时无明显影响，而在中等提示范围时，短间隔的反应时(543ms)比长间隔的反应时(561)快，F(2,14)=4.43,p＜0.05。
3.2ERP数据
3.2.1提示物诱发的ERP成分
提示物产生的ERP总平均图见图2所示。P1成分在后部头颅波形较明显，但其波幅与潜伏期均没有表现出注意范围因素的主效应。
前部N1的潜伏期有显著的注意范围与记录部位两个因素的交互主效应，F(26,338)=5.79,p＜0.001，在三种注意范围提示下，均在右侧额叶和中央部潜伏期最短(C4、CZ、FC4)。后部N1的波幅也有显著的注意范围与记录部门两个因素的交互主效应，F(26,338)=2.75,p＜0.05；在三种注意范围时，后部N1均在右侧颞后部(PO6)波幅最大，小、中、大范围分别为3.3±1.3μV、4.0±1.4μV、3.8±1.2μV。
提示范围显著影响前部P2潜伏期，F(2,26)=8.31,p＜0.01，小、中、大范围的潜伏期逐渐延长，分别为214±7.0ms、222±8.2ms、230±5.5ms。另外对前部和后部N2的波幅都有显著主效应，F(2,26)=20.15,p＜0.001;F(2,26)=4.78,p＜0.05。小、中、大提示范围诱发的波幅依次减小，在前部分别为4.9±0.49μV、4.73±0.50μV、3.2±0.30μV；在后部分别为2.3±0.32μV、2.4±0.30μV、1.52±0.26μV。
附图
图2三种提示物诱发的ERP总平均图
3.2.2靶刺激诱发的P1、N1成分
后部P1成分在长刺激间隔时比短刺激间隔条件下波幅显著增大，F(1,13)=7.09,p＜0.05（短间隔，2.6±0.42μV；长间隔，3.4±0.36μV）。各因素对于P1潜伏期均无显著性主效应。
前部N1波幅受到刺激间隔的显著影响，F(1,13)=33.55,p＜0.001（短间隔，2.4±0.55μV；长间隔，0.53±0.31μV）。N1波幅与潜伏期均无注意范围的主效应。
后部P2波幅在右侧颞后部最大(PO6,8.9±1.7μV),F(13,169)=4.60,p＜0.01。短间隔时比长间隔时的P2波幅较大，F(1,13)=8.82,p＜0.05（短间隔，8.2±1.0μV；长间隔，7.9±1.0μV）。另外还表现出了注意范围与记录位置的交互效应，F(26,338)=2.79,p＜0.05。注意范围显著影响后部P2潜伏期，F(13,169)=3.99,p＜0.05，小、中、大范围分别为：223±2.5ms,222±2.4ms,220±2.8ms。而前部P2波幅在小、中、大注意范围时分别为9.4±0.90μV,8.5±0.85μV,8,59±0.72μV，有显著差异，F(13,169)=3.42,p＜0.05。
后部脑区N2波幅在短间隔时小于长间隔（短间隔，2.6±0.42μV；长间隔，3.0±0.42μV），F(1,13)=7.54,p＜0.05；但N2波幅与潜伏期都没有注意范围的主效应。前部脑区N2的波幅和潜伏期在不同注意范围时有显著差异，F(2,26)=10.13,p＜0.01，小、中、大范围的波幅分别为：6.3±0.49μV,7.6±0.52μV,7.5±0.53μV。最大波幅位于额叶前部(FZ,8.2±0.56μV;FCZ,8.2±0.67μV),F(13,169)=4.30,p＜0.01。小、中、大范围的潜伏期分别为：288±4.0ms,294±3.8ms,296±3.6ms,F(2,26)=6.22,p＜0.01。（ERP波形见图3）
附图
图3靶刺激诱发的ERP总平均图和脑地形图，前部P2、N2成分（FZ记录点）。
4讨论
本实验为进一步研究视觉选择性注意中有关注意范围加工的脑机制，在以前实验的基础上提出了一种新的实验范式，给视觉空间注意的注意范围等级效应提供了新的电生理学证据。实验得到了有关注意范围加工时程和脑功能分布的初步结果，发现改变有效提示注意
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