注意状态内外切换的神经相关

摘要

目的 功能神经影像学研究发现大脑存在分别处理外部环境与内部事务的两套信息加工系统，基于信息来源，它们也可分别称为外部注意系统和内部注意系统。前者主要包括背侧注意网络和腹侧注意网络，后者则主要指缺省模式网络或静息态网络。虽然有研究提示外部注意网络和内部注意网络是两个激活状态反相关的功能网络，但也有研究表明神游时两者可同时激活。大量的功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）研究表明前额叶和顶叶皮层在任务切换的准备阶段较任务重复更活跃。一些研究发现可能存在其他功能神经网络参与两者的切换，包括核心网络、突出性网络和注意门控系统等。但由于fMRI的低时间分辨率，外部和内部注意网络的启动与切换的神经动态演化机制仍不明确。 听觉oddball范式为经典的外部注意任务之一，利用其得出的失匹配负波得到了越来越多的临床应用，为避免事件相关电位（event-related potentials，ERP）其他成分干扰，最佳的失匹配负波通常在被动条件下运用听觉oddball范式获取，既往分心任务多采用各类视觉加工任务，而更为简单易行的被动型听觉oddball范式仍需进一步探索。一项采用呼吸计数任务(breath-counting task)的研究揭示神游与聚焦呼吸有着不同的神经相关。呼吸计数任务可使被试关注躯体内部信息，是一个优于神游状态而侧重反映内部注意系统功能的任务。 为探讨内部注意网络和外部注意网络的调控，同时鉴于听觉刺激的被动和主动加工过程仍缺乏完整认识，我们采用呼吸计数的内部注意任务和听觉oddball范式的外部注意任务，应用任务切换范式，同时借助ERP时空模式及ERP统计参数映像（statistical parametric mapping，SPM）技术揭示内部和外部注意网络切换相关的神经网络动态演化规律，为以呼吸计数为分心任务的被动型听觉ERP的临床应用提供实证基础。 对象与方法 20名在校大学生（男生10名），年龄为24～28(26±1)岁，均为右利手，无听觉、神经及精神系统疾病。均知情同意参加实验并领取一定报酬。 800 Hz和1500 Hz的纯音分别作为标准刺激（高概率80％）和偏差刺激（低概率20％）。每个声音刺激持续100 ms，其间隔在1400 ms、1500 ms和1600 ms三者间等概率变动，刺激以伪随机顺序呈现以确保两个偏差刺激呈现之间至少有两个标准刺激。电脑放在被试者前方约1m处，由其内置喇叭播放各类刺激。 在安静及较暗的环境下，被试以舒适的体位坐于椅中，闭眼及双手持游戏手柄。要求被试根据两类任务线索（声音词“呼”或“声”）执行呼吸计数任务（或称为内部注意任务/被动型oddball任务）和听觉注意任务（或称为外部注意任务/主动型oddball任务），并用双手的食指尽准尽快按键。在呼吸计数任务中，被试需将注意聚焦在自己的呼吸上，注意呼吸时气流在鼻孔和上嘴唇流过的感觉或呼吸时胸腹部的起伏变化，尽量忽略外部呈现的纯音刺激，同时根据自己当时的呼吸状态按键，感觉自己处于100％吸气相和100％呼气相时分别按对应键。因呼吸持续交替进行，左右按键也依次进行直至下一个任务线索出现。在听觉注意任务中中，被试需将注意力集中在外部呈现的纯音刺激上，尽量忽略自己的呼吸状态，并在听到标准和偏差声音后分别按对应键，执行此任务直至下一个任务线索出现。呼吸计数和听觉注意两类任务线索均以伪随机的顺序出现，避免3个以上的同类线索连续出现。呼吸计数任务和听觉注意任务的左右按键在被试间平衡。实验实施分3个阶段，各阶段两类任务线索各25个，各阶段之间安排30s休息，整个实验持续55min。 采用本实验室开发的ERP系统和中科新拓公司的19通道UEA-BZ脑电放大器。19个记录电极采用国际10-20标准导联系统:Fp1，Fp2，F3，F4，C3，C4，P3，P4，O1，O2，F7，F8，T3，T4，T5，T6，Fz，Cz，Pz;参考电极为连接的双侧耳垂;接地电极置于前额正中Fpz点。滤波通频带为[0.5，100] Hz，头皮与电极间阻抗＜10kΩ。EEG分析时间1100 ms，从线索或声音刺激呈现前100 ms至呈现后1000 ms。应用主成分分析法自动订正眼动等伪差，伪差检测阈值设为70μV。伪差订正后的全部事件相关EEG片段参与叠加各类平均ERP。 行为学数据应用SPSS13.0软件对对听觉注意任务的行为数据进行配对t检验，并分别对呼吸计数任务和听觉注意任务在任务线索后前3个反应计算其切换代价。ERP数据利用系统统计软件包进行注意状态（内/外）×任务类型（切换/保持）和刺激概率（高、低）×注意任务（被动、主动）两因素重复测量方差分析;并分别在不同条件下进行两两配对t检验。19通道ERP对应的F值或t值经插值获得统计参数映像。显著阈值α=0.05。 结果： 行为学结果 在内部注意任务中，前三个平均反应间隔时间(RIT)的切换代价(switchingcosts，SW)逐渐增大[SW1(-316.00±272.66) ms＜SW2(-60.88±234.81) ms＜SW3(337.01±200.51) ms]，对每一个RIT进行配对（切换—保持）t检验，只有第一个RIT存在统计学差异(t=-5.05，p=0.000)，后两个RIT间均无统计学差异(t=-1.13，p=0.273;t=1.33，p=0.200);在外部注意任务中，前三个平均反应时(RT)的切换代价逐渐减小[SW1(94.35±79.27)ms＞SW2(33.76±59.62)ms＞SW3（14.66±43.06）ms]，对每一个RT进行配对（切换—保持）t检验，前两个RT存在统计学差异(t=5.32，p=000;t=2.53，p=0.020)，第三个RT间均统计学差异(t=1.52，p=0.144)。对于听觉注意任务的整体而言，偏差刺激比标准刺激的反应时更长[(511.3±79.8)ms vs.(437.0±99.6)ms，P＜0.001]，且正确率更低[(90.8±5.6)％vs.(97.0±1.9)％,P＜0.001]。 ERP时空模式及其SPM 在2（注意状态:内部/外部）×2（任务类型:切换/保持）两因素重复测量方差分析中，注意状态主效应依次激活额叶系统(100-200ms)，扣带岛盖网络(225-250 ms)，额顶网络(275-400ms)，扣带岛盖网络与腹侧注意网络(VAN)(500-650ms)。任务类型主效应依次激活右前额(150-500 ms)，扣带岛盖网络与VAN(400-500 ms)，岛叶与顶颞系统(550-850 ms)。两者的交互效应依次出现在顶颞系统与VAN(175-500ms)，双侧前额，左侧更明显(550-850ms)。进一步两两配对t检验依次细化了注意主效应和任务主效应，揭示了内部注意和外部注意的电位差异极性正好相反。 在2刺激概率（高、低）×2注意任务（被动、主动）两因素重复测量方差分析中，有统计学意义的ERP效应主要涉及的脑区和时段列举如下。概率主效应（高/低）:额区(125～200 ms)，额颞区(200～300 ms)，额顶颞枕(300～450 ms)，额区(450～650 ms)，顶区(650～700 ms)及额顶区(700～850 ms);任务主效应（被动/主动）:左侧额顶网络与右侧额极(100～150 ms)，顶区(175～300ms)，额区（对应中央执行网络）与右颞顶区（对应腹侧注意网络）(300～500ms)，右颞顶区(500～850ms);交互效应:左额区(125～175ms)，左侧顶枕区(300～550ms)，后中央顶枕区(700～850ms)。分别在被动和主动条件下配对（偏差-标准）比较的SPM(t)时空模式揭示了被动型和主动型的ERP时空模式均显示失匹配负波、P300和慢波效应且均涉及背内侧额区。同主动型失匹配负波涉及额顶区相比，被动型失匹配负波效应涉及额顶颞区。被动型慢波效应局限于背内侧额区且具有较短时程[(450～550) ms vs.(450～600) ms，P＜0.05]。 结论： 本实验的行为学结果表明在听觉注意任务中，偏差刺激比标准刺激的反应时更慢、正确率更低，表明高概率任务执行的自动化程度更高。内部注意任务提示前两个反应间隔时间中切换任务短于保持任务，与先前研究相悖，这可能与执行时间差距较大的内外注意两类任务切换所导致，切换代价呈现负值可能受到转换前外部注意按键频率较快的影响。外部注意任务提示在时间序列上切换任务总比保持任务反应时长，且随着时间的延长切换代价逐渐减小。 线索加工阶段内部注意和外部注意切换相关的神经网络的研究主要发现额中央区(125-200ms)涉及内外注意的切换，类似于听觉ERP的失匹配负波（mismatch negativity, MMN），同Baldeweg和Sato等人提出的听觉MMN与注意切换相关相一致。此外，切换和保持状态下的内外注意状态的配对t检验揭示了内部注意和外部注意的电位差异极性正好相反，与Fox等人研究得出的DMN和外部注意网络是两个激活状态反相关的功能网络结论相吻合。我们的研究认为不同与Burgess等人提出的门控假说将前额内外侧分别对应于刺激导向任务和刺激独立任务的执行功能的区分，门控系统尚可以进一步区分为内部注意和外注意部分。 通过比较听觉oddball刺激在内部注意（被动条件）和外部注意（主动条件下）条件下相关神经网络加工的动态演化机制，揭示了被动条件下的听觉刺激可得到同主动条件下近似的完整加工。背内侧额区具有过程通用性。被动条件较主动条件下的失匹配负波涉及更广泛脑区而其慢波效应更局限。可通过呼吸计数任务实现被动型听觉ERP时空模式的临床应用。

目录

摘要

第一章 前言

1．1 注意理论

1．1．1 注意基本概念及分类

1．1．2 注意相关理论模型

1．2 注意网络

1．2．1 外部注意网络

1．2．2 内部注意网络

1．2．3 外部注意网络和内部注意网络的关系

1．2．4 其他神经认知网络

1．3 任务切换范式

1．4 事件相关电位(event-related potentials，ERP)

1．4．1 ERP定义及特点

1．4．2 ERP叠加原理

1．4．3 脑电记录系统

1．4．4 ERP时空模式

1．5 内外注意切换的研究

1．6 研究目的及实验假设

第二章 方法

2．1 实验对象

2．2 实验材料及工具

2．3 实验过程

2．4 脑电记录

2．5 统计方法

2．5．1 行为学数据

2．5．2 ERP数据

第三章 结果

3．1 行为学结果

3．1．1 内部和外部注意任务

3．1．2 被动型和主动型听觉oddball任务

3．2 ERP及其SPM

3．2．1 内外注意状态的切换和保持

3．2．2 被动型和主动型oddball任务

第四章 讨论

4．1 行为学结果

4．2 内外注意状态切换的ERP

4．3 被动型和主动型听觉oddball任务的ERP

4．4 不足及未来研究方向

第五章 结论

参考文献

附录 (中英文缩写索引)

攻读学位期间成果

致谢

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