突出目标克服分心物干扰的神经机制

摘要

目的
　　 从环境中搜寻目标涉及多重注意机制。其中维持任务定势、克服分心物干扰和转移注意焦点均需要较多主观努力，这些过程涉及自顶向下加工机制。另一方面，加工突出性刺激信息需要较少主观努力，涉及自底向上加工机制。Theeuwes等(1992)报告当突出性分心物存在时，目标搜索反应时间延长;Mazaheri等(2011)报告较强突出性分心物对应更长搜索时间，表明注意焦点首先被突出性分心物占据，且自顶向下机制难以抑制基于自底向上机制的注意捕获。Schub(ǒ)(2009)应用事件相关电位发现分心物单独呈现比伴随目标呈现更能引出较大的枕区N1(140-170ms)和N2(220ms)成分，且这些成分不受分心物突出性影响，支持自顶向下注意机制早期调节自底向上过程的观点。Ansorge等(2011)发现当任务线索包含目标特征时，目标刺激能诱发更大的枕区N2pc(220-280ms)成分，同样提示自顶向下因素的参与。因而推测突出性刺激首先启动自底向上机制为主的注意捕获，随后，由自顶向下机制实现对分心物的注意撤离。然而，大脑如何加工形状或颜色突出的视觉目标仍缺乏研究，自顶向下和自底向上机制的相互作用及其时机也需要更为深入和细致的考察。既往ERP研究多关注少数导联的个别成分，缺乏从网络（空间）角度的探讨。
　　 本研究拟在突出性分心物有或无条件下，通过分级改变目标突出性，探讨注意焦点转移、自底向上和自顶向下两种机制在视觉搜索中的相互关系，利用事件相关电位时空模式揭示注意网络的功能特点。
　　 方法
　　 2011年7-8月从南方医科大学在校生中招募18名受试者，其中2名受试者因较多EEG伪差而被剔除。余16人（男生7名）年龄介于22-26岁。所有受试者均为右利手，身体健康无神经系统及精神疾病病史并无神经、精神疾病家族史，视力或矫正视力正常，无色盲色弱，此前未参加过类似实验，均知情同意参加实验并领取一定的报酬。
　　 每张刺激图片包含四个边长1.09cm色块，平均分布在黑色背景视野的四个象限内。其中，各色块饱和度和亮度分别取值240和120;突出性和非突出性分心物色调分别为200（粉红）和160（深蓝），突出性与非突出性分心物出现概率均为0.50。低和高突出性目标色调分别为140（淡蓝）和135（天蓝）。突出性与非突出性目标出现概率均为0.33。被试与显示屏间隔100cm，各色块视角0.62°，最边缘色块中心与屏幕中心的视角为2.78°。
　　 采用2（分心物突出性:有、无）*3（目标:缺失、低突出性、高突出性）两因素重复测量实验设计。6种实验条件下分别含90张图片，各图片随机顺序呈现1500ms，刺激起始异步为2500ms，要求被试判断图片内4个项目是否包含目标并进行左/右手按键反应，要求尽快尽准按键，左/右手按键顺序在被试间平衡。屏幕刷新率75Hz。实验实施分为10个阶段，各阶段呈现各类图片54张，每个阶段之间被试可休息20s。在安静及较暗环境下（相对隔音，室温约24℃），受试者取舒适体位坐于椅中，距计算机屏幕约1.0m。正式实验开始前，让受试者进行10min的实验任务训练以熟悉实验程序。系统自动记录反应时间及反应按键的正误。
　　 采用本实验室开发的事件相关电位系统和北京新拓公司的19通道脑电放大器，本系统可同时记录被试的反应时间和反应正误率等行为数据。记录电极按国际10-20标准导联系统安装;连接双侧耳垂为参考:接地电极置于前额正中。滤波通频带为[0.5，100]Hz，头皮与电极间阻抗＜10kΩ。自动拒绝伪差阈值设为70μV，并进一步目测手工排除眼动和肌电等伪差。EEG片段时间窗取为图片出现前100ms至呈现后1000ms;分类叠加EEG片段获得ERP。各条件下参与ERP叠加的EEG片段不少于30个。
　　 行为数据采用SPSS13.0软件进行双因素重复测量方差分析。其中，水平数为3的因素自由度使用Greenhouse-Geissor校正。ERP数据利用系统统计软件包进行了两类双因素重复测量方差分析:2（分心物突出性:有、无）*3（目标:缺失、低突出性、高突出性）分析;2（分心物突出性:有、无）*2（目标突出性:低、高）分析。其中，后者（2*2分析）去除了目标有无因素的影响，单纯考察目标与分心物突出性有无的效应。19通道ERP对应的F值经插值获得统计参数映像（statisticalparametricmapping，SPM），称为SPM(F)。其中，水平数为3的因素显著阈值采用保守的自由度减半方式调整。显著性水平为0.050。
　　 结果
　　 1、行为指标
　　 正确率:在不同条件下的正确率差异经方差分析均未达统计显著水平。
　　 反应时间:目标和分心物交互效应显著:F(1.99，29.79)=21.560，P=0.000。在分心物突出性有、无条件下，目标突出性简单效应也分别达到显著:F(1.59，23.87)=102.494，P=0.000;F(1.20，18.03)=45.497，P=0.000。分别的LSD检验提示两两比较差异均显著。其中，在同一水平条件下，比较反应时间在分心物突出性存在和缺乏条件之间的差异。其中，目标缺失组(存在:636.72±83.43ms;缺失:597.14±87.23ms，t(15)=-7.822，P=0.000）和低突出目标组(存在:552.57±82.32ms;缺失:540.47±75.68ms，t(15)=-2.489，P=0.025）均差异显著，而高突出目标组（存在:527.14±77.84ms;缺乏:527.77±78.31ms）差异不显著:t(15)=0.162，P=0.873。
　　 2、ERP及其SPM
　　 在2（分心物突出性:有，无）*3（目标:缺失，低突出性，高突出性）条件下，ERP的F值统计参数映射显示显著效应涉及的脑区和时段列举如下:目标与分心物交互效应:右额颞区(700-750ms);目标主效应:顶枕区及左前额(350-450ms)、除双侧前额区外的大部分脑区(500-700ms);分心物主效应:额顶区和右侧颞区(350-450ms)、左前额(400-500ms)及额顶区(650-750ms)。在2（分心物突出性:有、无）*2（目标突出性:低、高）条件下，目标与分心物交互效应:左颞区(450-600ms);目标主效应:顶枕区(350-450ms)、右额顶颞岛或/和左颞区(500-700ms);分心物主效应:右额顶颞区（包括岛叶）(350-450ms)和左前额(500-550ms)。
　　 结论
　　 本实验行为学结果表明目标搜索受突出性分心物的干扰随目标突出性增强而减弱，当目标突出性达到一定程度时，突出性分心物产生的干扰将消失。故突出目标可以有效摆脱分心物干扰。该结果与Geng等(2010)结论一致。
　　 既往功能神经影像学研究发现:注意过程涉及多个内部联系相对紧密的功能子系统（神经集群）。其中，由右侧额下回、前岛叶和颞顶联合区形成的右腹侧注意网络参与刺激新奇性或突出性信息导致的重定向过程，也称为突出性网络;而由前扣带回、额眼区和双侧顶内沟组成的背侧（额顶）执行网络则参与目标选择和运动反应。
　　 基于本研究ERP的SPM时空模式可将视觉注意网络激活时程划分为三个阶段，后二个阶段有一定的重叠:(1)知觉阶段(350-450ms):突出目标仅激活视觉区;同时分心物影响右腹侧突出性加工网络。两个网络独立运行。(2)模式分类阶段(450-600ms):左枕颞区显著交互效应提示其作为熟悉性刺激加工网络实现目标与分心刺激的分类，并反映分心物与目标刺激均具备一定的熟悉性和两者在熟悉性网络加工的竞争性关系。(3)执行阶段(500-700ms):获胜的突出性目标通过左前额极(500-550ms)抑制和终止分心物的加工，其优势继续保持并扩散至右腹侧注意网络(550-700ms)，最终通过额顶执行网络完成目标任务的执行。此外，本实验在单纯分心物存在条件下需要执行目标不存在的按键反应，分心物在该条件下转变为按键行为相关刺激，较晚阶段(650-750ms)出现的额顶区分心物效应仅仅出现在2*3分析中，提示额顶网络参与对分心物反应的监控。在两类分析中，左前额显著变化分别出现在目标主效应和分心物主效应中，提示其可能在行为相关刺激识别中发挥作用。
　　 综上，突出性目标的迅捷加工既得益于知觉阶段目标与分心刺激的并行加工，更获益于模式识别阶段位于左颞区的熟悉性网络的有效分类，后者是突出性目标克服分心物干扰的关键阶段。既往ERP研究多关注少数导联的个别成分，缺乏从网络（空间）角度的探讨。本研究结果提示注意过程涉及多个神经集群和多重信息加工流，仅仅使用自底向上和自顶向下机制来描述注意过程过于简化，需要从动态神经集群角度来考察注意相关子网络及它们之间存在的复杂相互作用。

目录

摘要

一、前言

1．1 注意的若干重要模型

1．2 注意资源相关理论

1．3 注意捕获现象

1．4 注意捕获研究范式

1．5 认知神经科学方法简介

1．6 大脑注意网络

1．7 基于动物的注意研究

1．8 基于TMS、fMRI及ERP的注意研究

1．9 实验假设及设计

二、方法与过程

2．1 对象

2．2 刺激材料

2．3 实验任务

2．4 脑电／ERP记录

2．5 统计分析

三、结果

3．1 行为绩效

3．2 ERP及其SPM

四、讨论

4．1 注意过程涉及到的神经集群

4．2 突出目标克服分心物干扰的神经相关

4．3 值得进一步研究的问题

五、结论

参考文献

攻读学位期间成果

致谢

声明

统计学审稿证明