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·國(guó)際之窗·

視覺(jué)失匹配負(fù)波中的額葉注意機(jī)制研究

/于瀾1編譯 冀飛1審校/1解放軍總醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科，解放軍總醫(yī)院耳鼻咽喉科研究所(北京100853)

1 研究背景

自動(dòng)感知環(huán)境的變化是注意力的核心部分。失匹配負(fù)波(mismatch negativity，MMN)是一種電生理反應(yīng)，是指在一系列符合規(guī)律的感官刺激中引入一個(gè)偏差刺激產(chǎn)生的反應(yīng)，能夠反映大腦對(duì)感覺(jué)信息自動(dòng)監(jiān)測(cè)的能力。這種偏差刺激的形式可以表現(xiàn)為刺激聲特性的偏差如刺激聲之間的抽象偏差或一系列對(duì)稱刺激中的非對(duì)稱刺激。電生理和功能性影像學(xué)研究表明，聽(tīng)覺(jué)失匹配負(fù)波(aMMN)與額葉和顳葉有關(guān)，其很快成為檢測(cè)感官處理和注意力的工具，也是提示認(rèn)知功能減退的一項(xiàng)指標(biāo)，已被廣泛應(yīng)用于聽(tīng)覺(jué)領(lǐng)域，記錄顳葉和額葉區(qū)域的中樞反應(yīng)。

MMN的神經(jīng)來(lái)源存在兩種假說(shuō)：一是大腦皮質(zhì)優(yōu)勢(shì)顳葉區(qū)的反應(yīng)，將傳入刺激和先前刺激形成的記憶痕跡進(jìn)行對(duì)比；另一個(gè)是額葉反應(yīng)與刺激變化相關(guān)的注意力有關(guān)。fMRI(functional magnetic resonance imaging，fMRI)和PET技術(shù)能夠顯示左、右及雙側(cè)額下回(inferior frontal gyrus, IFG)對(duì)聲刺激的音高變化的反應(yīng)。聲刺激的持續(xù)時(shí)間變化也與左、右及雙側(cè)IFG和額葉活動(dòng)增強(qiáng)有關(guān)。額葉活動(dòng)的位置變化可能與注意力有關(guān)，即對(duì)刺激聲的集中程度。近期有研究運(yùn)用獨(dú)立成分分析來(lái)檢測(cè)aMMN的振蕩特點(diǎn)，推斷額葉的活動(dòng)增強(qiáng)范圍與主動(dòng)還是被動(dòng)接受刺激有關(guān)，也與刺激的復(fù)雜程度有關(guān)。

鑒于aMMN網(wǎng)絡(luò)似乎是由兩側(cè)聽(tīng)覺(jué)皮層與額葉活動(dòng)相互作用產(chǎn)生的，因此，MMN中的額葉活動(dòng)可能來(lái)源于其他感官反應(yīng)。最近關(guān)于aMMN和視覺(jué)MMN(vMMN)的理論和實(shí)踐證明，額葉和分級(jí)預(yù)測(cè)編碼的感覺(jué)區(qū)存在相互作用。鑒于此，當(dāng)感官輸入與預(yù)測(cè)輸入不匹配時(shí)，MMN會(huì)提示出現(xiàn)一個(gè)錯(cuò)誤信號(hào)。額葉機(jī)制被認(rèn)為是基于預(yù)測(cè)編碼，然后反饋回感官處理區(qū)域。因此，額葉區(qū)域與vMMN有關(guān)，然而額葉機(jī)制的位置和性質(zhì)在文獻(xiàn)中尚未見(jiàn)明確描述。額葉機(jī)制可能對(duì)多個(gè)模式的變化敏感，可運(yùn)用fMRI來(lái)檢測(cè)特定模式和常規(guī)網(wǎng)絡(luò)下視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)被動(dòng)感知變化的能力。單一模式狀態(tài)的激活會(huì)出現(xiàn)在相應(yīng)的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和軀體感覺(jué)處理區(qū)域，而多模式的活動(dòng)分布屬網(wǎng)絡(luò)式的，包括雙側(cè)額前葉和右側(cè)腦島，盡管額葉的功能作用和位置還不明確，越來(lái)越多的研究表明額葉區(qū)域與視覺(jué)異常感知有關(guān)。

本研究旨在運(yùn)用改進(jìn)的fMRI和EEG(electroencephalography，EEG)相結(jié)合的方式，在無(wú)認(rèn)知負(fù)荷導(dǎo)致的潛在混雜因素的影響下，觀察對(duì)于簡(jiǎn)單視覺(jué)對(duì)象改變時(shí)產(chǎn)生的vMMN反應(yīng)，目的是研究額葉的活動(dòng)是否與vMMN有關(guān)，并進(jìn)一步探測(cè)對(duì)刺激變化的低位感知是否存在多模式機(jī)制。

2 方法及結(jié)果

本研究選取20名健康青年人，年齡21～34歲，平均25.1±4.5歲，其中男7例，女13例。參與者被指示持續(xù)注視屏幕上大藍(lán)框(10.5°×10.5°)中的小藍(lán)框(1.3°×1.3°的視角)，藍(lán)框的中心會(huì)周期性地變成紅色，當(dāng)顏色變化時(shí)，參與者需盡快做出反應(yīng)，即按下按鈕；受試者只需將注意力集中于固定刺激和靶刺激，忽略任何出現(xiàn)在屏幕上的其他刺激。由于靶刺激只是偶爾出現(xiàn)，受試者必須保持注意力高度集中。單白條(3.9°×1.2°)和雙白條(每條3.9°×0.6°)，兩者在總量上是一樣的，亮光總是同時(shí)出現(xiàn)在中央藍(lán)框的上方和下方。由于單雙白條作為標(biāo)準(zhǔn)刺激和偏差刺激會(huì)相互抵銷(xiāo)，因此，規(guī)定雙條作為偏差刺激、單條作為標(biāo)準(zhǔn)刺激時(shí)定義為A，單條作為偏差刺激、雙條作為標(biāo)準(zhǔn)刺激時(shí)定義為B。刺激分布于18個(gè)平衡區(qū)塊(counterbalanced blocks)，八個(gè)區(qū)塊僅包含標(biāo)準(zhǔn)刺激和靶刺激(稱作standard only部分)，十個(gè)區(qū)塊包含標(biāo)準(zhǔn)刺激、靶刺激和偏差刺激。18個(gè)區(qū)塊出現(xiàn)的順序完全隨機(jī)，每個(gè)部分持續(xù)100～140 s，區(qū)塊之間有15～25 s的間歇時(shí)間。運(yùn)用劃分區(qū)域的設(shè)計(jì)而不是事件相關(guān)設(shè)計(jì)，是因?yàn)镸MN測(cè)試需要保證刺激間隔相對(duì)較短，使受試者保持牢固的感覺(jué)記憶痕跡。事件相關(guān)的設(shè)計(jì)在連續(xù)的刺激之間需要更長(zhǎng)的時(shí)間間隔，以減少先前刺激產(chǎn)生的記憶痕跡。

標(biāo)準(zhǔn)刺激、偏差刺激和靶刺激會(huì)持續(xù)200 ms，隨機(jī)刺激間歇的時(shí)間間隔(ISI)會(huì)持續(xù)500～700 ms。靶刺激和偏差刺激在標(biāo)準(zhǔn)刺激之間按照偽隨機(jī)序列插入，這樣在每個(gè)偏差刺激之前至少都有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)刺激。標(biāo)準(zhǔn)刺激、偏差刺激和靶刺激的比率為16：1：1，有1 248個(gè)標(biāo)準(zhǔn)刺激，18個(gè)偏差和78個(gè)靶刺激。包含標(biāo)準(zhǔn)刺激和靶刺激的區(qū)塊中只有1 248個(gè)標(biāo)準(zhǔn)刺激和78個(gè)靶刺激被呈現(xiàn)。EEG和fMRI測(cè)試的順序在參與者之間是相互平衡的，每次持續(xù)36分鐘。在早期的視覺(jué)誘發(fā)電位研究的基礎(chǔ)上，選取七個(gè)電極(O1、Oz、O2、PO9、PO10、PO7、PO8)做統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。這是第一個(gè)采用功能性影像學(xué)檢查、通過(guò)vMMN反應(yīng)測(cè)量神經(jīng)反應(yīng)機(jī)制的研究。探測(cè)感官對(duì)低水平改變的反應(yīng)時(shí)建議使用多模式機(jī)制。結(jié)果表明，左腦額中回(MFG)和前下回(IFG)在靶刺激出現(xiàn)時(shí)活動(dòng)增強(qiáng)。而這兩個(gè)部位被認(rèn)為是MMN的主要起源區(qū)域。

3 討論

通過(guò)aMMN，額葉機(jī)制被描述為注意力定向或觸發(fā)，識(shí)別感官處理區(qū)域的變化，這種功能與IFG的聯(lián)系是模式相關(guān)區(qū)域的注意力網(wǎng)絡(luò)，也建議右側(cè)下額葉皮層的子區(qū)域幫助識(shí)別行為相關(guān)線索。關(guān)于為什么是左側(cè)或雙側(cè)，需要達(dá)成一致。IFG的研究，可能是因?yàn)樽髠?cè)IFG的活動(dòng)是通過(guò)受試者根據(jù)制定的任務(wù)規(guī)則做出反應(yīng)，而不是抽象的或口頭的形式。在本研究中，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)和偏差刺激的具體規(guī)則是恒定的(對(duì)靶刺激的反應(yīng)是明確的)。研究中，對(duì)電生理 P3反應(yīng)的監(jiān)測(cè)也是對(duì)額葉區(qū)域活動(dòng)(任務(wù)相關(guān)vs任務(wù)無(wú)關(guān)的事件/刺激)的補(bǔ)充證明。本研究采用類(lèi)似于三種刺激的oddball刺激序列，包括標(biāo)準(zhǔn)刺激、偏差刺激和靶刺激，在這種情況下，非靶向的偏差刺激通常會(huì)引出一個(gè)額部生成的P3a成分，而靶刺激可能會(huì)引出一個(gè)額部生成的P3a和一個(gè)頂部生成的P3b。相比之下，偏差刺激一般不會(huì)引出一個(gè)清晰的額部 P3a，目前的研究也都說(shuō)明了這一點(diǎn)?？赡苁怯捎诎写碳ず蜆?biāo)準(zhǔn)刺激的差異小了，導(dǎo)致相關(guān)的反應(yīng)降低或P3a反應(yīng)缺失，并且，靶刺激還能引出N2和P3b ERPs反映了明確的注意力以及對(duì)這些刺激的反應(yīng)。沒(méi)有異常刺激直接作用時(shí)，事件相關(guān)電位ERPs中是不會(huì)出現(xiàn)這些成分的。因此，MRI的時(shí)域分辨通常很難從額葉后部區(qū)分MMN活動(dòng)，研究觀察到的活動(dòng)反應(yīng)可能與P3a無(wú)關(guān)。關(guān)于MMN的研究應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)的是，額部信息反映的是注意力的捕獲和/或潛在對(duì)注意力轉(zhuǎn)向抑制干擾刺激。

只有在聯(lián)合A刺激時(shí)，vMMN才能引出。vMMN反應(yīng)是一個(gè)特異性的刺激反應(yīng)，一項(xiàng)對(duì)ERP的隨訪研究數(shù)據(jù)顯示，聯(lián)合刺激確實(shí)能夠引出vMMN (兩個(gè)偏差刺激，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)刺激)。ERP反映的是雙重刺激的關(guān)系，而不是刺激本身物理特性的差異。 研究發(fā)現(xiàn)不是所有的聯(lián)合刺激都會(huì)引出MMN反應(yīng)。MMN在聽(tīng)覺(jué)領(lǐng)域也有應(yīng)用，如，頻率的增加比降低能更有效引出MMN。vMMN的最新進(jìn)展提供了更細(xì)致的方法來(lái)控制刺激的差異，但該方法不適用于功能性磁共振的研究。在當(dāng)前研究中采用該方法需進(jìn)行篩選，要能夠同時(shí)采集事件相關(guān)腦電圖和區(qū)組設(shè)計(jì)功能性磁共振的數(shù)據(jù)。聯(lián)合B刺激不能引出vMMN反應(yīng)。當(dāng)腦電圖記錄到了vMMN反應(yīng)，就會(huì)伴有左側(cè)額葉BOLD的增加；若沒(méi)有記錄到vMMN反應(yīng)，就不會(huì)有左側(cè)額葉BOLD的增加，該方法被成功用于引出vMMN，在健康年輕人、老年人和老年癡呆患者中都曾成功應(yīng)用于引出vMMN；因此，聯(lián)合A刺激得到的反應(yīng)能夠識(shí)別視覺(jué)環(huán)境的改變。研究還發(fā)現(xiàn)頂葉連接的左緣上回活動(dòng)增強(qiáng)，阻礙了相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)區(qū)域的偏差成分，正如左側(cè)IFG(額下回)，該區(qū)域通常與語(yǔ)音處理、言語(yǔ)工作記憶有關(guān)。盡管可能會(huì)通過(guò)語(yǔ)義選擇過(guò)程對(duì)反應(yīng)進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，該區(qū)域的活動(dòng)反映了刺激組合的變化需要一個(gè)偏差區(qū)域的運(yùn)動(dòng)反應(yīng)。例如，對(duì)偶爾出現(xiàn)的靶刺激做出反應(yīng)，而不是偏差刺激。研究還發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于異常塊，僅限標(biāo)準(zhǔn)刺激模塊(standard only blocks)的某些區(qū)域活動(dòng)增強(qiáng)，這些區(qū)域包括右側(cè)中央鰓蓋骨的皮質(zhì)、右側(cè)中央后回和右側(cè)小腦，這種增強(qiáng)是預(yù)測(cè)范圍外的。standard only blocks仍然需要受試者對(duì)靶刺激做出反應(yīng)，因此，受試者在測(cè)試過(guò)程中并不是被動(dòng)的或放松的狀態(tài)。另一種解釋是， 這些區(qū)域支持一個(gè)機(jī)制，即過(guò)濾(filters)是可預(yù)測(cè)的，標(biāo)準(zhǔn)條件下(standard-only conditions)的信息是不相關(guān)的，并且，該過(guò)程在偏差刺激出現(xiàn)時(shí)就會(huì)被破壞。小腦可能在aMMN中起著重要作用。

EEG和fMRI的效應(yīng)在一致性上缺乏驗(yàn)證，建議采用多種測(cè)量技術(shù)。ERPs的數(shù)據(jù)缺乏額葉效應(yīng)，負(fù)責(zé)早期P1和N1 ERPs的偶極子的方式結(jié)果導(dǎo)向在枕電極電壓峰值，更關(guān)鍵的是正面電極的反向電壓。vMMN 信息很難被分離出來(lái)，就像額葉aMMN的信息一樣，從P1到N1，能量較弱。雙邊聽(tīng)覺(jué)偶極子導(dǎo)致頭頂電壓最大化，讓額葉活動(dòng)更容易被識(shí)別和分離。其次，額葉的定向機(jī)制不清，可能是采用最優(yōu)方式進(jìn)行額葉電極位置的識(shí)別。fMRI技術(shù)可能更適合探測(cè)與偏差刺激相關(guān)的額葉活動(dòng)，單純用EEG是無(wú)法探測(cè)偏差刺激的。vMMN反應(yīng)的空間模型運(yùn)用文中提到的解剖坐標(biāo)，提供了一個(gè)可能的解決方案。

(編譯自：Hedge C,et al. A frontal attention mechanism in the visual mismatch negativity[J].Behavioural Brain Research,2015,293：173.)

10.3969/j.issn.1006-7299.2016.06.023