固定位置區域提示下視覺注意范圍等級的ERP研究

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1前言

視覺信息加工是知覺研究中的重要方面，選擇性注意在視覺加工中具有十分關鍵的作用，其中不同范圍注意的神經機制至今還不明確。除了通過測量反應時、眼動等外顯指標外，ERP是一種很有效的研究手段。ERP不同成分中包含著豐富的腦加工時程與功能區分布的有關信息[1]，分析這些信息將有助于深入了解視覺中不同范圍注意的獨特機制。

20世紀中期已經看到，識別提示下靶刺激的反應時快于無提示靶刺激的反應時，前者的準確率也大于后者[2,3]。視覺空間注意的ERP研究提供了更多有力證據，以往實驗結果認為與視覺注意密切相關的成分包括C1(50～90ms)、P1(80～130ms)、N1(140～200ms)等[4]。在傳統實驗中，較經典的兩種提示范式是符號性提示(symboliccue)和區域性提示(locationcue)。符號性提示是通過箭頭等符號提示靶刺激將要出現的位置，區域性提示是通過閃爍等方式，直接標示出靶刺激將要出現的區域。這兩種提示均得到了兩方面的結果：有提示靶刺激引起的P1、N1波幅大于無提示靶刺激引起的波幅[5]；有效提示（提示信息為真）時的P1、N1波幅大于無效提示（提示信息為假或中性）的P1、N1波幅[6,7]。這兩類實驗范式研究了提示下視覺加工的機制，但都沒有關注到注意范圍大小的影響。在這兩種范式中也存在注意范圍的作用，但主要是空間方位的作用，即靶刺激出現在什么方位。

至今關于視覺注意范圍等級的erp及其腦機制的研究還很少。在我們最近的研究中，涉及了視覺注意空間等級的腦機制研究，對空間注意的范圍進行了分級[8,9]。三種不同大小的方框在屏幕的不同位置隨機出現，令被試據此尋找并辨別靶刺激。結果發現靶刺激誘發的P1波幅隨提示范圍增大而增大，頭顱后部N1成分的波幅隨提示范圍增大而減小，而提示物誘發的頭顱后部N1成分的波幅隨提示范圍增大而增大。這項實驗研究了注意范圍因素對視覺加工的作用，但由于提示物出現的位置是隨機的，所以混入了空間方位因素的影響。

本實驗對于羅躍嘉等提出的空間注意分級方法進行了改進，祛除了由于位置隨機呈現提示物而混雜的空間方位因素，首次使用固定位置提示研究空間注意范圍，純化了視覺注意范圍因素的效應，以便更深入的探討視覺注意空間等級的腦機制。實驗同時記錄提示物與靶刺激誘發的ERP，討論提示范圍大小和ISI（提示與靶刺激的間隔時間）對ERP的影響，進而探討潛在的腦活動機制。

2實驗方法

2.1被試

為14名健康青年人（男性7名，女性7名），作為有償被試，皆首次參加ERP實驗。年齡范圍18～20歲（平均18.7歲），均為右利手，視力正常或矯正后正常。

2.2刺激材料

刺激在14″彩色顯示器上呈現，刺激序列為“背景——提示——靶刺激”。背景為視角13°的白色圓，圓心位置有黑色小十字作為注視點。提示物為3種大小不同的黑色線條圓圈，圓心均在屏幕中點，直徑視角分別是11.4°、7.6°、3.8°。提示后同時呈現月牙形符號（視角為0.92°×0.76°）共11個，其中靶刺激為1個縱向月牙，凹面向左或向右；另外有10個橫向月牙為分心刺激，凹面向上或向下。所有月牙出現的位置是隨機的，且彼此間不重疊。除了10%的刺激序列未進入疊加，靶刺激總是出現在提示范圍內，即提示的有效性為100%。提示與靶刺激之間的間隔(ISI)分為短(400～600ms)、長(600～800ms)兩組。

2.3ERP記錄

實驗儀器為NeuroScanERP工作站，采用電極帽記錄128導腦電。參考電極置于雙側乳突連線，前額接地，同時記錄水平眼電和垂直眼電。濾波帶通為0.10～40Hz，采樣頻率為500Hz／導，頭皮電阻小于5千歐。分析時程(epoch)為1200ms，含基線200ms，自動矯正眨眼等偽跡，波幅大于±100（V者在疊加中被自動剔除）。

2.4程序與任務

如圖1（左）所示，首先呈現背景300ms，接著隨機呈現一個黑色線圈（共3種大小）作為不同注意范圍的提示物，時間為300ms。提示消失后，同時呈現11個月牙形的刺激物，其中只有1個豎向的月牙為靶刺激，另外10個為分心物；呈現時間為1200ms，以保證被試有足夠的識別時間。提示物與靶刺激之間的時間間隔(ISI)分為：短間隔400～600ms，長間隔600～800ms；兩種時間間隔等比例隨機出現。三種提示物出現的幾率相同，除了10%的靶刺激出現在提示范圍之外，其余都出現在提示范圍以內。被試的任務是根據縱向月牙凹面向左或向右，分別用左、右手拇指按鍵，但對于出現在提示范圍之外的靶刺激不做反應。對被試反應的正確性和反應速度做同等強調。不同被試的左右手按鍵進行組內平衡。

附圖

圖1實驗流程圖（左）及記錄電極位置示意圖（右）

2.5ERP數據分析與統計

對EEG分類疊加，可得到3種不同提示物誘發的ERP，以及不同ISI和不同提示范圍內反應正確的6類靶刺激誘發的ERP。根據前人工作與本實驗目的，選取28個電極點進行數據分析（見圖1右），CZ、C3、和C4及其以前的14個電極點視為頭顱前部，以后14個電極點視為頭顱后部。地形圖由128枚電極記錄得出。根據ERP總平均圖和前人經驗，對前后部頭顱分別進行方差分析(ANOVA)。提示物誘發的ERP在頭皮前部的測量窗口為105～140ms(N1)、140～260ms(P2)、260～360ms(N2)；后部為50～130ms(P1)、130～200ms(N1)、200～280ms(P2)、280～360ms(N2)。靶刺激誘發的ERP在頭皮前部的測量窗口為30～120ms(N1)、120～260ms(P2)、260～360ms(N2)；后部為60～130ms(P1)、130～200ms(N1)、200～240ms(P2)、240～320ms(N2)。用SPSS統計軟件對上述各段波幅（峰－峰值）、潛伏期分別進行3因素的方差分析，因素為刺激間隔(ISI)（2水平：短和長）、注意范圍（3水平：小、中和大）和記錄部位（頭顱前部：14水平；頭顱后部：14水平）。多因素方差分析的p值皆用Greenhouse-Geisser法校正，并對數據進行正常化處理。

3實驗結果

3.1行為數據

靶刺激識別的正確率，在短間隔時隨提示范圍的擴大而降低，小、中、大范圍分別為：99.0%、94.7%、91.9%。F(2,14)=73.56,p＜0.001。在長間隔時，小、中、大范圍分別為：99.1%、92.1%、93.9%。F(2,14)=80.32,p＜0.001。反應時(RT)在短間隔時，不同范圍提示的反應時存在顯著差異，F(2,14)=9,34,p＜0.001；經LSD方法兩兩比較，小范圍提示(520ms)快于中范圍提示(543ms),p＜0.05；大范圍提示(505ms)快于中范圍提示(543ms),p＜0.001。在長間隔時，不同范圍提示的反應時也存在顯著差異，F(2,14)=13.08,p＜0.001；經LSD方法兩兩比較，小范圍提示(524ms)快于中范圍提示(561ms),p＜0.05；大范圍提示(518ms)快于中范圍提示(561ms),p＜0.001。值得注意的是，無論短間隔還是長間隔，小范圍與大范圍之間的反應時都沒有顯著性差異。

在小和大范圍提示下，不同ISI對于反應時無明顯影響，而在中等提示范圍時，短間隔的反應時(543ms)比長間隔的反應時(561)快，F(2,14)=4.43,p＜0.05。

3.2ERP數據

3.2.1提示物誘發的ERP成分

提示物產生的ERP總平均圖見圖2所示。P1成分在后部頭顱波形較明顯，但其波幅與潛伏期均沒有表現出注意范圍因素的主效應。

前部N1的潛伏期有顯著的注意范圍與記錄部位兩個因素的交互主效應，F(26,338)=5.79,p＜0.001，在三種注意范圍提示下，均在右側額葉和中央部潛伏期最短(C4、CZ、FC4)。后部N1的波幅也有顯著的注意范圍與記錄部門兩個因素的交互主效應，F(26,338)=2.75,p＜0.05；在三種注意范圍時，后部N1均在右側顳后部(PO6)波幅最大，小、中、大范圍分別為3.3±1.3μV、4.0±1.4μV、3.8±1.2μV。

提示范圍顯著影響前部P2潛伏期，F(2,26)=8.31,p＜0.01，小、中、大范圍的潛伏期逐漸延長，分別為214±7.0ms、222±8.2ms、230±5.5ms。另外對前部和后部N2的波幅都有顯著主效應，F(2,26)=20.15,p＜0.001;F(2,26)=4.78,p＜0.05。小、中、大提示范圍誘發的波幅依次減小，在前部分別為4.9±0.49μV、4.73±0.50μV、3.2±0.30μV；在后部分別為2.3±0.32μV、2.4±0.30μV、1.52±0.26μV。

附圖

圖2三種提示物誘發的ERP總平均圖

3.2.2靶刺激誘發的P1、N1成分

后部P1成分在長刺激間隔時比短刺激間隔條件下波幅顯著增大，F(1,13)=7.09,p＜0.05（短間隔，2.6±0.42μV；長間隔，3.4±0.36μV）。各因素對于P1潛伏期均無顯著性主效應。

前部N1波幅受到刺激間隔的顯著影響，F(1,13)=33.55,p＜0.001（短間隔，2.4±0.55μV；長間隔，0.53±0.31μV）。N1波幅與潛伏期均無注意范圍的主效應。

后部P2波幅在右側顳后部最大(PO6,8.9±1.7μV),F(13,169)=4.60,p＜0.01。短間隔時比長間隔時的P2波幅較大，F(1,13)=8.82,p＜0.05（短間隔，8.2±1.0μV；長間隔，7.9±1.0μV）。另外還表現出了注意范圍與記錄位置的交互效應，F(26,338)=2.79,p＜0.05。注意范圍顯著影響后部P2潛伏期，F(13,169)=3.99,p＜0.05，小、中、大范圍分別為：223±2.5ms,222±2.4ms,220±2.8ms。而前部P2波幅在小、中、大注意范圍時分別為9.4±0.90μV,8.5±0.85μV,8,59±0.72μV，有顯著差異，F(13,169)=3.42,p＜0.05。

后部腦區N2波幅在短間隔時小于長間隔（短間隔，2.6±0.42μV；長間隔，3.0±0.42μV），F(1,13)=7.54,p＜0.05；但N2波幅與潛伏期都沒有注意范圍的主效應。前部腦區N2的波幅和潛伏期在不同注意范圍時有顯著差異，F(2,26)=10.13,p＜0.01，小、中、大范圍的波幅分別為：6.3±0.49μV,7.6±0.52μV,7.5±0.53μV。最大波幅位于額葉前部(FZ,8.2±0.56μV;FCZ,8.2±0.67μV),F(13,169)=4.30,p＜0.01。小、中、大范圍的潛伏期分別為：288±4.0ms,294±3.8ms,296±3.6ms,F(2,26)=6.22,p＜0.01。（ERP波形見圖3）

附圖

圖3靶刺激誘發的ERP總平均圖和腦地形圖，前部P2、N2成分（FZ記錄點）。

4討論

本實驗為進一步研究視覺選擇性注意中有關注意范圍加工的腦機制，在以前實驗的基礎上提出了一種新的實驗范式，給視覺空間注意的注意范圍等級效應提供了新的電生理學證據。實驗得到了有關注意范圍加工時程和腦功能分布的初步結果，發現改變有效提示注意范圍的大小，會誘發出大腦皮層神經活動的多種變化。

早期視皮層活動受注意范圍大小的調節不明顯。以往的視覺空間注意研究一致認為，有提示靶刺激引起的P1、N1波幅大于無提示靶刺激引起的波幅[4,5,10]。如Hopfinger和Mangun的實驗報告[6]表明在有效提示下，P1波幅增大。在羅躍嘉進行的注意等級的研究中，靶刺激誘發的腦后部P1波幅隨提示范圍增大而增加，而后部N1的波幅隨提示范圍的增大而減小，出現了P1、N1調節效應的分離[8,9]。而在本實驗提示物和靶刺激誘發的P1和N1都沒有表現出與注意范圍相關的調節效應，這種結果應該與本實驗模式的改變有關。在以往的實驗中，被試認知注意范圍大小的同時，還需要確定注意的方位，或是不同視野、或是不同的空間方位，這就混入了定位因素。由于本實驗的提示物為一黑線圈，且三種范圍提示物的圓心皆在屏幕中心，這樣就祛除了注意范圍的方位因素。因此，ERP的早期成分(P1、N1)并沒有受到顯著影響的實驗結果提示：早期視覺皮層的調節活動可能與注意方位有更大的關系，還可能會受到刺激物理差異的影響，注意范圍的大小并不是引起早期調節的主要原因。

無論是反應時(RT)還是靶刺激誘發的ERP波幅，它們都不與注意范圍大小的變化呈簡單線性相關，即不隨注意范圍增大而單調增大或減小。在羅躍嘉等[8]的實驗中，注意范圍被分為三個等級，RT和N1、P1波幅都與注意等級大致呈線性相關。本實驗小和中等注意范圍，符合羅躍嘉實驗的結果，但大范圍注意時，結果不一致。比較這兩個實驗的條件，如果從提示注意范圍與最大注意范圍（刺激物呈現的最大范圍）之間的比例來看，可以發現本實驗中等注意范圍條件與羅躍嘉實驗的大范圍條件下的“注意范圍比例”非常接近，而本實驗中的大注意范圍已經接近刺激物呈現的最大范圍。這一點，在以往的實驗中并沒有特別分析，因而本實驗結果可能提示：在一定的“注意范圍比例”內，反應時和腦皮層活動的強度與注意范圍大小成正相關，而一旦超過一定的范圍，就可能不再成正相關。換言之，很可能存在與最大注意強度相對應的“最適注意范圍比例”。

提示物與靶刺激之間的時間間隔(ISI)，幾乎影響ERP的全部時程。本實驗與以往的實驗相比，ISI對ERP早期成分的影響基本一致。在羅躍嘉的實驗中，短間隔(230～350ms)比中間隔(500～650ms)條件下靶刺激誘發的P1波幅大，但長間隔(800～950ms)時的P1波幅界于這兩者之間[8]。據Greenwood的行為學實驗報告[11,12]，在SOA為500ms時，注意范圍的變化對反應時的影響最為明顯。而本實驗短間隔(400～600ms)的波幅小于長間隔(600～800ms)的波幅。由此可見，很可能在間隔時間(ISI)為300～400ms時，誘發的皮層活動最強烈，但是否是引起最強注意度的最適合刺激間隔，還有待進一步研究。

另外，ISI因素在后部N2和P2的波幅變化中有主效應。這種效應可以理解為早期注意調節完成的信號。由于ISI對腦皮層神經電活動的調節作用主要表現在頭顱后部，可能提示對于刺激間隔這一信息的加工主要在初級視皮層及其附近腦區。對于這個現象的理解，可以借鑒一下近期一項研究中對注意效應提出的觀點——“消耗－增益”(cost-benefit)連帶關系[13]。總之，提示與靶刺激時間間隔對于目標信息加工的影響，尤其本實驗中表現出的ISI對ERP中晚期成分的影響值得重視。

在完成分辨靶刺激的任務中，N2受到了注意范圍因素的明顯調節。根據以往的研究結果，N2主要反應的是靶刺激物自身特征信息的加工過程[4]。在本實驗中前部N2的波幅與潛伏期都明顯受到提示范圍大小的影響，而后部N2并未出現此效應，說明對靶刺激的分辨任務是由頂葉和額葉的腦功能區完成的，這符合其它研究的結果[4]。另外本實驗還發現，無論提示物還是靶刺激誘發的ERP，在P2(120～260ms)階段就開始受到提示范圍大小的影響，這可能提示在這個時間段對目標本身屬性信息的加工就已經開始了。

在視覺信息加工的機制上存在一個重要問題——客體各種信息的加工是并行的，還是串行的？支持后者觀點的一些研究[4]表明：空間位置的信息是先于其它信息被加工的，空間定位是加工其它客體信息的前提。通過與羅躍嘉實驗比較，實驗設計上的主要區別在于本實驗減少了空間定位的因素，從而突出了注意范圍的作用。本實驗結果與之最大的不同正是ERP早成分(P1、N1)的不同，這就提示與空間定位有關的信息很可能是在ERP早成分中加工的。這一點支持視覺信息串行加工的觀點，它至少提示空間定位是早于客體自身屬性信息被加工的。

5小結

本實驗結果提示：①視覺注意誘發的P1、N1成分主要與空間定位信息的加工相關，與提示范圍大小無關；②在視覺信息加工過程中，空間位置的信息要早于其它信息被加工，支持視覺信息串行加工觀點；③刺激物信息的加工速度及相關神經活動強度與“注意范圍比例”關系密切，而不是與注意范圍呈簡單的線性關系；④提示物誘發的P2、N2成分與注意范圍相關；⑤刺激間隔不僅影響視覺早期信息加工，而且會對目標自身特征信息的加工產生影響。

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