短暂线索减少任务切换代价的神经机制

摘要

目的:
　　 中央执行系统功能包括选择、计划、转换、提取和更新等多方面，其在任务切换(task switch)中的作用和神经机制仍有待澄清。众多任务切换研究观察到任务之间的转换存在着切换代价(switch cost)(Monsell，2003; Rogers，1995)。以A类和B类任务先后执行为例，切换代价表现为执行切换型任务（BA或AB）比重复型任务（AA或BB）更慢或更易出错。一些研究表明通过增加准备时间，即延长反应-刺激间隔或线索-刺激间隔，可以减少、但不能完全消除切换代价（Rogers,1995; Goffaux，2006; Monsell，2006; Sohn，2000）。另一些研究在保持线索-刺激间隔不变条件下，仅仅缩短线索呈现时间却可减小甚至消除切换代价(Mayr,2001;Verbruggen，2007)，但该现象缺乏神经机制的研究。
　　 本研究基于切换Stroop任务并利用事件相关电位（ERP）时空模式的高时间分辨率和一定的空间分辨率，通过改变线索呈现时间揭示切换代价消除的神经机制，探讨任务准备和任务执行两个阶段的相关脑区活动。
　　 方法:
　　 22名本科生和硕士生自愿参加本实验。其中，3人因较多眼动干扰被剔除，余19人（女生10人）年龄介于21-29岁(24.84±2.29)，右利手，身体健康无神经及精神疾病。
　　 实验采用Stroop切换任务，单字词“红”和“绿”分别由红色和绿色印制，组成四种靶词，在“义”或“色”两类任务线索分别呈现后，要求被试对靶词的字义或字色进行判断，并尽快尽准地按下左侧或右侧按键。采用长/短(1000/100 ms)两种呈现时程线索;靶词呈现时间1000 ms;线索-靶词间隔为1000 ms;在黑屏500 ms后呈现下一线索。任务之间存在两类接续关系，“义-义”和“色-色”为任务重复型，“义-色”和“色-义”为任务切换型。切换与重复情形均随机出现。其中，任务重复连续出现次数控制在2至4之间;而任务切换在实验安排中避免了连续出现的情形;其中任务重复共有352个试次，任务切换共有248个试次，两者呈现比例为7:5。
　　 应用本实验室开发的19通道ERP系统，ERP分析时间窗口为:线索呈现前100 ms（基线）至呈现后900 ms;靶词呈现前100 ms（基线）至呈现后1400ms。
　　 反应时间和正确率均应用SPSS13.0软件进行两因素重复测量方差分析:线索时程（长/短）×任务接替（重复/切换）;反应时切换代价和正确率切换代价应用SPSS13.0软件进行配对t检验。利用ERP系统的统计软件包对线索阶段和执行阶段的多通道ERP数据进行任务因素重复测量方差分析。19通道ERP所对应的F值经插值获得统计参数映像(statistical parametric mapping，SPM)，称为SPM(F)。以α=0.05作为检验水准。
　　 结果:
　　 一、行为指标
　　 反应时:线索与任务交互效应、线索主效应与任务主效应均不显著。但在长线索下，切换反应时(620.8±107.8 ms)具有长于重复的(605.7±104.4 ms)趋势:t(18)=-1.97,P=0.07。
　　 反应时切换代价（切换减去重复）:短线索(0.80±40.7 ms)与长线索(15.0±33.3 ms)的差异存在统计显著趋势:t(18)=-1.77，P=0.09。
　　 正确率:线索与任务交互效应、线索主效应均不显著。任务主效应显著:F(1，18)=0.56，P=0.02。长线索下，重复的(92.9±4.9％)显著高于切换的(90.8±6.8％):“18)=2.35，P=0.04。短线索下，重复的(93.5±4.6％)显著高于切换的(92.0±5.5％):t(18)=2.26,P=0.03。
　　 正确率切换代价（切换减去重复）:短线索(-1.5±0.6％)与长线索(-2.2±0.9％)差异不显著:t(18)=0.96，P=0.35。
　　 二、ERP及其SPM
　　 在线索加工阶段，线索主效应先后出现在前额—后枕区(100-200 ms)、额顶—颞枕区(200-500 ms)以及额顶网络—枕区(500-900 ms)，ERP的线索和任务交互效应、任务主效应均未见显著意义。在任务执行阶段，线索主效应先后出现在左侧额区(300-400 ms)和顶枕区(400-900 ms);任务主效应起始于右侧(500-600 ms)并扩散至双侧(600-900 ms)额中央顶颞区，ERP的线索和任务交互效应未见显著意义。
　　 结论:
　　 一、行为绩效
　　 本研究比较长短线索下的切换代价，反应时间的切换代价趋向于消失，这与文献( Verbruggen，2007)一致。而正确率的切换代价差异并不显著，既往文献报道的切换代价指的是反应时间，缺乏正确率代价的报告。
　　 二、准备阶段
　　 线索呈现时程的改变对准备阶段的多个脑区产生显著影响:早在100-200ms时段就出现了额-枕区差异，并扩散到额顶—颞枕区P3b(200-500ms)，这些反映了短线索加工的增强和早期启动。而在400-1000ms期间持续的额顶网络CNV效应表明短线索加工动用了更多的工作记忆资源，进一步提示额叶在任务准备和切换中的重要调控作用，而顶叶可能与信息暂存以及刺激反应映射相关。
　　 三、执行阶段
　　 1、线索效应
　　 300-400 ms左侧额区ERP效应可能反映对语言性任务线索的提取控制。而400-900ms持续稳定的顶枕区负慢波(negative slow wave，NSW)效应反映了感受区兴奋性升高和持续注意的保持，同时提示线索的有效暂存。
　　 2、切换效应
　　 本研究观察到由右侧起始(500-600ms)并扩散至双侧的(600-900ms)额中央顶颞区的切换效应，显示切换比重复需要更多执行功能的参与，反映了中央执行系统的调控功能( Sohn，2000; Collette，2002)。
　　 总之，短暂线索可减少任务的反应时切换代价，它不仅在线索加工阶段可早期启动额顶网络的准备，而且在任务执行阶段促进左侧额叶对线索的提取和利用。

目录

摘要

一、前言

1．1 任务切换与执行控制

1．2 任务切换范式

1．3 研究现状

1．4 脑损伤研究

1．5 PET和fMRI研究

1．6 ERP研究

1．7 研究问题的提出

二、方法

2．1 被试者

2．2 刺激材料

2．3 实验范式

2．4 ERP设备

2．5 统计分析

三、结果

3．1 行为数据

3．2 多通道ERP总平均波形

3．3 统计参数映像

四、讨论

4．1 行为绩效

4．2 准备阶段

4．3 执行阶段

4．4 本研究不足之处

4．5 结论

参考文献

攻读学位期间成果

中英文缩写索引

致谢

声明

统计学证明