王 程 朱明星 汪 鑫 楊子健 王小晨 陳世雄 李光林

1(中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 深圳 518055)

2(中國科學(xué)院大學(xué)深圳先進(jìn)技術(shù)學(xué)院 深圳 518055)

1 引 言

一項(xiàng)完整的決策過程涉及復(fù)雜的認(rèn)知變化：首先，人們需要感知信息，獲取并記住信息；然后，對信息進(jìn)行計(jì)算、歸納；最后，做出選擇。即使每一次獲取的信息都是相同的，不同的人也會做出不同的決策，同一個人在經(jīng)歷不同的認(rèn)知判斷后也會做出穩(wěn)妥型或風(fēng)險型的選擇。而根據(jù)不同的反饋結(jié)果，人腦神經(jīng)活動也會發(fā)生相應(yīng)的變化[1]。將這種復(fù)雜的認(rèn)知過程進(jìn)行分解，觀察不同階段腦神經(jīng)活動的變化特征是對不同頻段的腦電波活動與人類認(rèn)知過程中特定認(rèn)知功能相關(guān)性的探索，同時也有助于可視化腦認(rèn)知的研究。認(rèn)知障礙患者在執(zhí)行認(rèn)知決策任務(wù)時會受到不同程度或不同方面的影響，對正常健康人的這種認(rèn)知神經(jīng)活動進(jìn)行時頻分析，可為客觀評估輕度認(rèn)知障礙提供參考[2-4]。

由于腦電圖(Electroencephalogram，EEG)具有實(shí)時性、易用性、無創(chuàng)性和低成本等特點(diǎn)，其在一些腦神經(jīng)研究中被用來分析腦電波活動與認(rèn)知過程的關(guān)系[5-6]。有研究使用功能磁共振成像(Functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI)方法來觀察大腦不同部位的區(qū)域活動，其中通過該工具可以得到高空間分辨率的腦電數(shù)據(jù)[7]。但是 fMRI 方法的實(shí)驗(yàn)室設(shè)置與日常生活有很大不同，其實(shí)驗(yàn)環(huán)境可能會影響認(rèn)知實(shí)驗(yàn)結(jié)果[8]。通過腦電波的時頻分解方法，可以將采集的腦電信號分解成不同頻段腦電波活動(δ、θ、α、β 和 γ 波段)，而已有一些研究發(fā)現(xiàn)不同頻段腦電活動與特定的認(rèn)知功能相關(guān)。例如，Cavanagh 等[9]對一些預(yù)設(shè)的認(rèn)知任務(wù)(沖突、懲罰、新穎和錯誤等刺激)進(jìn)行比較觀察，發(fā)現(xiàn)額葉皮質(zhì)上的 θ 波活動似乎可以反映用于實(shí)現(xiàn)認(rèn)知控制需求的通用計(jì)算過程，并在不同的大腦區(qū)域進(jìn)行這種控制。Klimesch 等[10-11]認(rèn)為，腦電波有節(jié)奏的幅度變化反映了神經(jīng)元群體激發(fā)活動。其中 α 波振蕩與注意力的選擇和抑制功能密切相關(guān)，反映了信息處理中自上而下的抑制性控制過程。Jensen 等[12]使用高密度腦電圖和腦磁圖記錄技術(shù)來研究 γ 波段同步化在工作記憶、選擇注意等認(rèn)知范式中的作用。其結(jié)果發(fā)現(xiàn)，振蕩的 γ 波活動在神經(jīng)元交流和突觸可塑性中具有重要作用，參與了注意力與記憶等復(fù)雜認(rèn)知功能的局部和分布式皮質(zhì)網(wǎng)絡(luò)中的神經(jīng)元加工過程。Güntekin 等[13]對 32 位帕金森病患者和 16 名健康對照組進(jìn)行聽覺 Oddball 刺激試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)患者組的 δ 波活動強(qiáng)度比對照組的低，δ 波振蕩反應(yīng)減少可能是認(rèn)知障礙的一般電生理指標(biāo)。Zavala 等[14]通過記錄受試者參與涉及沖突的感覺運(yùn)動選擇任務(wù)的 θ、β 波腦電活動，發(fā)現(xiàn) θ、β 波振蕩活動會影響前額葉皮層激活丘腦下核，從而在沖突發(fā)生期間抑制沖動。基于以上研究，本實(shí)驗(yàn)將用 4 個波段(δ、θ、α 和 β)的 EEG 數(shù)據(jù)來分析認(rèn)知決策任務(wù)的整個過程。

在早期的決策模型研究中，Bechara 等[15]認(rèn)為決策是一個過程，受生物調(diào)節(jié)過程中表達(dá)情緒、感覺的標(biāo)志物信號影響。當(dāng)情緒信號與任務(wù)結(jié)合在一起時，它對正確決策是有益的，并且確定性或不確定性下決策執(zhí)行涉及到不同的神經(jīng)回路。Tversky 與 Damasio[16]提出的前景理論(Prospect Theory)表明，人們在面對風(fēng)險規(guī)避時更傾向于確定的結(jié)果，對失去物資或金錢的可能性比獲得相同物資或金錢的可能性更為敏感。Huang 等[17]在一項(xiàng)與檢索化學(xué)概念有關(guān)的決策任務(wù)中采集了 66 名大學(xué)生的腦電圖數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在刺激發(fā)生前的前扣帶回皮層腦區(qū)有 θ 波增強(qiáng)活動。該活動與決策過程中的長期記憶檢索信息相關(guān)，而刺激發(fā)生后的低頻段 β(13～18 Hz)增強(qiáng)效應(yīng)可起到將編碼刺激映射到指導(dǎo)決策反應(yīng)過程的作用。Iznak 等[18]基于威斯康星卡片分類測試的一項(xiàng)研究分析了抑郁癥患者的腦電圖頻譜參數(shù)，發(fā)現(xiàn)決策功能的損害與 θ、α 波頻譜功率值較低有關(guān)。此外，Nunez 等[19]的一項(xiàng)研究通過設(shè)計(jì)漂移擴(kuò)散決策模型和量化腦電圖注意力測量值來探討注意力對視覺決策的影響。也有一些研究通過設(shè)計(jì)零和博弈游戲[20]、最后通牒博弈游戲[21]、猜硬幣游戲[22]、猜拳游戲[23-24]等來探討決策認(rèn)知過程中的腦電活動。從以上研究可知，決策任務(wù)中不同頻段的腦電圖活動與對應(yīng)的認(rèn)知功能間具有一定的相關(guān)性，但仍需進(jìn)一步分析這些活動。

目前對博弈決策任務(wù)與腦認(rèn)知功能聯(lián)系的研究仍較少，對決策認(rèn)知過程中不同頻段腦電活動分析也還不夠全面。本實(shí)驗(yàn)以完整可靠且不受實(shí)驗(yàn)環(huán)境影響的任務(wù)設(shè)計(jì)為前提，根據(jù)將經(jīng)典博弈游戲與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼J(rèn)知任務(wù)模塊相結(jié)合的思路，設(shè)計(jì)了一種與“剪刀、石頭、布”相關(guān)的決策任務(wù)，并將這一認(rèn)知任務(wù)劃分為 3 個認(rèn)知階段：決策計(jì)劃階段、確認(rèn)等待階段、結(jié)果反饋階段。一些研究[25-27]表明，不同頻段的腦電波活動與注意力、認(rèn)知控制等認(rèn)知功能相關(guān)。本研究以此為基礎(chǔ)，首先使用 EEG 技術(shù)和時頻分析方法將腦電波分為 4 個頻段 δ(delta，1～3 Hz)、θ(theta，4～7 Hz)、α(alpha，8～13 Hz)和 β(beta，15～20 Hz)。然后，提取每個頻段的事件相關(guān)頻譜功率和相位同步特征值。最后，通過特征數(shù)據(jù)和描繪的頻譜變化圖，客觀量化分析時間序列上 4 個頻段的腦電活動與 3 個認(rèn)知階段相應(yīng)認(rèn)知功能間的相關(guān)性。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 腦電信號采集方法

本研究共招募了 5 名健康受試者。其中 4 名男生，1 名女生；年齡在 23～27 歲，平均年齡為 25 歲。所有受試者都是右撇子，視力正常，無認(rèn)知障礙。整個實(shí)驗(yàn)過程符合中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院人體倫理道德規(guī)范(SIAT-IRB-170815-H0178)。實(shí)驗(yàn)開始前，受試者均閱讀知情同意書并簽字，且允許出于科學(xué)目的公開發(fā)布他們的照片和數(shù)據(jù)。為確保測試過程相對安靜，受試者的認(rèn)知思考不被影響，在實(shí)驗(yàn)開始前關(guān)閉實(shí)驗(yàn)室燈光，對操作電腦的房間進(jìn)行隔離，并將與該實(shí)驗(yàn)無關(guān)的設(shè)備全部關(guān)閉。同時，為了防止肌電等信號的干擾，受試者在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前被要求靜息一段時間，且實(shí)驗(yàn)時盡量避免做出大幅度的肢體動作。

本實(shí)驗(yàn)使用美國 CompumedicsNeuroscan 公司的腦電測量系統(tǒng)以及 64 通道的 Quik-Cap 腦電帽來采集高密度腦電信號數(shù)據(jù)。在給受試者佩戴腦電帽裝置時，根據(jù)國際 10～20 系統(tǒng)腦電電極定位方法來固定頭皮電極，以平均乳突為參考電極，并采集水平眼電、垂直眼電數(shù)據(jù)。如圖 1(a)所示，對應(yīng)于 10～20 系統(tǒng)的矢狀線由前到后依次為 Fpz、Fz、Cz、Pz 和 Oz 電極，其代表的腦區(qū)分別為前額(Frontal Pole)、額葉(Frontal)、中央(Central)、頂葉(Parietal)、枕葉(Occipital)，而沿著冠狀線兩側(cè)的則為顳葉區(qū)(Temporal)。如圖 1(b)所示，在給受試者佩戴腦電帽時，需先使用酒精棉擦拭電極位置，清除皮膚表面的油脂和角質(zhì)。然后，使用 GT-5 導(dǎo)電膏實(shí)現(xiàn)頭皮電極的連接，并通過 SynAmps 2 放大器連接到 Scan4.5 軟件。為防止噪聲干擾，調(diào)試所有電極阻抗降低至 10 kΩ 以下，本實(shí)驗(yàn)采集腦電數(shù)據(jù)的采樣率為 1 024 Hz。

圖1 64 通道高密度腦電電極分布與腦電帽佩戴Fig.1 Distribution of 64-channel high-density EEG electrode and the photo of EEG cap wearing

2.2 實(shí)驗(yàn)流程

本文的決策任務(wù)使用 E-prime 軟件編寫。在實(shí)驗(yàn)中，受試者將和電腦進(jìn)行剪刀石頭布的游戲。實(shí)驗(yàn)開始前，所有受試者都被告知這是一項(xiàng)有關(guān)決策的任務(wù)，并被要求在開始游戲前學(xué)習(xí)游戲規(guī)則。在決策任務(wù)開始時，電腦屏幕上會有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和游戲規(guī)則的介紹，受試者雖被告知電腦有著特定的某一種選擇概率，但未直接說明概率是多少。此外，受試者需要通過后續(xù)的 10 個測試次進(jìn)行簡單學(xué)習(xí)，明確該任務(wù)只有 3 種可能的結(jié)果：選擇石頭的玩家將擊敗選擇剪刀的玩家(“石頭勝剪刀”)，但輸給選擇布的玩家(“布勝石頭”)；選擇布的玩家則會輸給選擇剪刀的玩家(“剪刀贏布”)。其中，若兩名玩家選擇相同的出牌，則游戲?yàn)槠骄?。本文?shí)驗(yàn)中，為了使受試者能夠做出兩種不同類型的決策，將電腦選擇布的概率設(shè)置得非常小(1%)，而選擇石頭的概率是剪刀的 2 倍。所有受試者都需要清楚記住與 3 個選擇相對應(yīng)的按鍵(“ 1”代表石頭、“ 2”代表剪刀、“ 3”代表布)。在每一局游戲開始時，受試者可以自主決定選擇其中一種按鍵，并且受試者做出選擇的時間應(yīng)限制在 1～5 s 以內(nèi)。

如圖 2 所示，實(shí)驗(yàn)過程可以分為 4 個步驟。當(dāng)在屏幕上出現(xiàn)按鍵提示后，該局游戲即將開始，實(shí)驗(yàn)對象可以進(jìn)行按鍵選擇。其中，思考計(jì)劃的時間太長(大于 5 s)或太短(小于 1 s)均被視為無效數(shù)據(jù)，將被刪除。本文設(shè)置，刪除數(shù)據(jù)占總數(shù)據(jù)的 5% 左右時為有效數(shù)據(jù)。如果需要刪除的數(shù)據(jù)過多，那么將視本輪實(shí)驗(yàn)為失敗，需要重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。按鍵選擇后，受試者選擇的圖片將在屏幕左側(cè)顯示 2 s，如實(shí)驗(yàn)對象選擇布并按下數(shù)字 3 按鍵，他將看到布的圖片。隨后，電腦將根據(jù)預(yù)先設(shè)定的概率(石頭 66%、剪刀 33%、布 1%)進(jìn)行選擇，且結(jié)果立即出現(xiàn)在屏幕右側(cè) 2 s。最終，該輪游戲的結(jié)果將顯示 2 s，所有的輸贏記錄都直接顯示在屏幕的下方。每位實(shí)驗(yàn)對象將進(jìn)行 150 輪游戲，其中每 50 輪游戲后休息1 min，每一輪游戲之間的間隔為 400～600 ms，總實(shí)驗(yàn)時間約為 30 min。

在本文決策任務(wù)中，受試者將通過學(xué)習(xí)電腦的出牌規(guī)則(石頭 66%、剪刀 33%、布 1%)進(jìn)行選擇，3 種不同的按鍵選擇對應(yīng) 3 種不同類型的決策計(jì)劃。選擇石頭基本上不會輸?shù)粲螒?可能性 1%)，但是平局的可能性(66%)比獲勝的可能性(33%)高得多，故這是一個穩(wěn)妥安全的決策方案。由于電腦基本不會出布，所以選擇剪刀是一個錯誤的決策。選擇布的獲勝概率(66%)高于選石頭的獲勝概率(33%)，但該選擇也有輸?shù)目赡苄?33%)，因此這是風(fēng)險型的決策方案。在實(shí)驗(yàn)過程中，要求受試者認(rèn)真進(jìn)行決策思考，防止出現(xiàn)隨意選擇的情況。如果實(shí)驗(yàn)條件不理想，那么需重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。

2.3 數(shù)據(jù)處理

圖2 認(rèn)知決策任務(wù)流程圖Fig.2 Cognitive decision task flow chart

由于采集到的原始腦電信號不夠干凈，混雜著肌電、運(yùn)動偽跡、工頻等各種噪聲，本研究在分析腦電特征前使用 EEGLAB 對信號進(jìn)行預(yù)處理[28]。首先，使用了漢明窗 sinc-FIR 濾波器(Hamming Windowed sinc FIR Filter)對每位實(shí)驗(yàn)對象的數(shù)據(jù)進(jìn)行帶通過濾(0.05～30 Hz)[29]。接著使用 2.1 版的 Clean Raw-data 和 ASR(The Artifact Subspace Reconstruction)工具箱進(jìn)一步處理濾波后的數(shù)據(jù)。然后，設(shè)置電極信號平坦不變的時間參數(shù)為小于或等于 5 s，最大可接受高頻噪聲偏差為 4，最小附近電極相關(guān)性為 0.8，以及超過設(shè)定腦電信號波幅邊界的最大比例為 25% 等[30]。通過以上處理可以刪除扁平信號通道，去除低頻漂移及短時異常數(shù)據(jù)段。最后，使用獨(dú)立成分分析方法(Independent Component Analyze)將信號分為腦電信號、通道噪音、運(yùn)動偽跡、眼電信號等不同成分，進(jìn)而刪掉除了腦電成分之外的所有噪聲。

根據(jù)任務(wù)的不同階段，使用 E-prime 軟件對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行打標(biāo)，主要對圖片刺激出現(xiàn)的時刻以及實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行按鍵的時刻進(jìn)行標(biāo)記，以此分為兩個時間段的任務(wù)數(shù)據(jù)。其中，實(shí)驗(yàn)對象按下選擇按鍵的前 4 s 至按鍵后 2 s 為第 1 個時間段，屏幕上出現(xiàn)計(jì)算機(jī)的選擇圖片刺激前 2 s 至刺激出現(xiàn)后的 4 s 作為第 2 個時間段。通過以上 2 個時間段的分割處理，整個決策任務(wù)被分為決策計(jì)劃、確認(rèn)與等待、輸贏反饋三個階段。為了在 3 種類型的決策計(jì)劃(穩(wěn)妥型、錯誤型、風(fēng)險型)和 3 種結(jié)果(獲勝、失敗、平局)中比較不同的腦電活動，本研究使用與小波變換相關(guān)的時頻分解方法。在采集的兩段時間數(shù)據(jù)中，設(shè)置時間窗口為 500 ms，小波變換分解周期為 3，窗口頻率因子為 0.5，最終得到 4 個頻帶的腦電波 δ(1～3 Hz)、θ(4～7 Hz)、α(8～13 Hz)和 β(15～20 Hz)。圖 3 為對其中一位受試者的 50 個試次數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的結(jié)果，此結(jié)果為可供分析的信號數(shù)據(jù)。

本次實(shí)驗(yàn)提取 4 個頻帶(δ、θ、α 和 β)腦電信號的兩個特征值進(jìn)行比較分析，分別是事件相關(guān)頻譜擾動(Event-Related Spectral Perturbation，ERSP)和相位同步值(Phase Synchronization)。ERSP 是功率譜的事件相關(guān)位移值，表示與基線平均功率譜的差值。這些頻譜變化通常涉及一個以上的頻率或頻帶，與只量化一個頻段功率譜的事件相關(guān)異步值相比，全譜 ERSP 分析可提供更多關(guān)于腦動力學(xué)的信息[31]。ERSP 的計(jì)算如公式(1)所示：

圖3 腦電信號處理過程Fig.3 EEG signal processing

其中，P 為功率譜值；Es 為平均 ERSP 變化值。首先，以每個事件之前的 EEG 波幅變化來計(jì)算基線功率譜 Pi_base，將信號劃分為簡短的、重疊的 k 個數(shù)據(jù)窗口，并計(jì)算功率譜的移動平均值。然后，通過除以它們各自的平均基線功率譜，對各個響應(yīng)時期的功率譜變換進(jìn)行歸一化。最后，將這些歸一化響應(yīng)進(jìn)行求和取平均值，并以對數(shù)值表示平均 ERSP。

相位同步值由試驗(yàn)間相干性(Inter-Trial Coherence，ITC)表示。ITC 為根據(jù)單個試驗(yàn) EEG 信號計(jì)算出來，反映 EEG 時域上的頻譜同步變化，能夠解釋潛在發(fā)生的鎖相程度。ITC 取值范圍為 0～1，其中 0 表示 EEG 數(shù)據(jù)與時間鎖定事件之間沒有同步；接近 1 表示在給定的事件潛伏期下，不同試驗(yàn)之間有著接近完美的 EEG 相位同步性。ITC 計(jì)算公式如下：

其中，ITPC (Inter-Trial Phase Coherence)為試驗(yàn)間相位相關(guān)性，是 ITC 的一種表示方法。Fk(f, t)是頻率為 f 的波段在第 k 次試驗(yàn)中的頻譜估計(jì)。在復(fù)數(shù)二維笛卡爾坐標(biāo)系中，將給定的頻率和時間下的頻譜估計(jì)作為復(fù)數(shù)向量，構(gòu)建二維相位空間。每個向量的范數(shù)和相位角由頻譜估計(jì)的幅度和相位表示，然后將每個試驗(yàn)活動向量的長度歸一化為 1。最后通過計(jì)算其復(fù)數(shù)平均值得到 ITPC 值。

在本研究中，使用單因素方差分析方法對 ERSP 和 ITC 兩個特征值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，探討 4 個頻段腦電波與 3 個階段任務(wù)對應(yīng)的認(rèn)知功能的聯(lián)系。

本報訊10月30日，湖北興發(fā)化工集團(tuán)股份有限公司發(fā)布2018年第三季度報告。報告期內(nèi)，化工行業(yè)景氣度穩(wěn)中有升，公司總體經(jīng)營態(tài)勢持續(xù)向好，盈利能力顯著增強(qiáng)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在本研究中，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果分為 3 個階段：實(shí)驗(yàn)對象按鍵前的 4 s 為決策計(jì)劃階段；按鍵選擇后的 2 s 為確認(rèn)和等待階段；最后一個 2 s 為輸贏結(jié)果階段。

3.1 決策計(jì)劃階段的 θ 波活動和 α 波活動

在決策計(jì)劃階段，通過數(shù)據(jù)處理獲得了時間窗為 500 ms 的 4 種類型腦電波平均功率譜變化的 EEG 地形分布圖。其中，δ 和 β 波沒有顯著的增強(qiáng)或抑制活動，而 θ 波在額葉區(qū)域具有持續(xù)的功率增強(qiáng)效應(yīng)，α 波在頂葉區(qū)域具有類似的功率增強(qiáng)效應(yīng)。三種類型選擇下的結(jié)果如圖 4 所示。

圖4 決策計(jì)劃階段 θ 和 α 腦電地形圖分布Fig.4 Distribution of θ and α EEG topographic maps in the decision planning stage

為了進(jìn)一步研究 3 種選擇下 θ 波效應(yīng)和 α 波效應(yīng)之間的差異，從 ERSP 地形分布圖中提取出 Fz 電極的 θ 波數(shù)據(jù)和 Pz 電極的 α 波數(shù)據(jù)，繪制實(shí)驗(yàn)對象按鍵選擇前 200～1 500 ms 的平均功率變化曲線，結(jié)果如圖 5 所示。圖 5(a)顯示，風(fēng)險型選擇的平均 θ 波功率從－1 000～－800 ms 持續(xù)增加，而穩(wěn)妥型選擇的這種效應(yīng)發(fā)生在－800～－600 ms，錯誤型選擇的 θ 波增強(qiáng)效應(yīng)比其他兩種選擇更加明顯。圖 5(b)顯示，穩(wěn)妥型決策計(jì)劃的 α 波增強(qiáng)效應(yīng)發(fā)生在風(fēng)險型決策計(jì)劃之前。通過對比觀察發(fā)現(xiàn)，這兩種效應(yīng)的功率增強(qiáng)程度是相似的，當(dāng)實(shí)驗(yàn)對象決定做出風(fēng)險選擇并渴望獲勝時，其 θ 波增強(qiáng)效應(yīng)發(fā)生在 α 波增強(qiáng)效應(yīng)之前；而當(dāng)實(shí)驗(yàn)對象不想失敗并做出穩(wěn)妥型選擇時，這種效應(yīng)發(fā)生的順序則相反。

圖5 決策計(jì)劃階段額葉 θ 波和頂葉 α 波 ERSP 曲線圖Fig.5 ERSP of frontal θ and parietal α in the decision planning stage

通過單因素方差分析，對腦電活動增強(qiáng)效應(yīng)與三種類型選擇之間的相關(guān)性及顯著程度進(jìn)行分析，結(jié)果如表 1 所示。可以發(fā)現(xiàn) 3 種選擇的 θ 波增強(qiáng)效應(yīng)具有極顯著的相關(guān)性(F2,147＝16.31,P＜0.001)，穩(wěn)妥型選擇和風(fēng)險型選擇之間的 α 波增強(qiáng)效應(yīng)也具有顯著差異(F1,148＝4.03, P＝0.045)。三種選擇間也存在明顯的相互作用(穩(wěn)妥型：F1,148＝6.16, P＝0.014；錯誤型：F1,148＝27.93, P＜0.001；風(fēng)險型：F1,148＝8.05, P＝0.005)。

表1 三種類型選擇間的 θ 波與 α 波效應(yīng)的相關(guān)性分析結(jié)果Table 1 Results for θ wave effect and α wave effect ANNOVA analysis of three choices

3.2 確認(rèn)與等待階段的時頻分析結(jié)果

在確認(rèn)與等待階段，實(shí)驗(yàn)對象將受到自己選擇的圖片刺激，進(jìn)行確認(rèn)并等待電腦進(jìn)行選擇，是一個與注意力相關(guān)的認(rèn)知過程。

從圖 6(a)可以看出，3 種選擇類型均有持續(xù)的 α 波抑制效應(yīng)，而在穩(wěn)妥型選擇和風(fēng)險型選擇中，這種頻譜功率降低的效應(yīng)更為明顯。在穩(wěn)妥型選擇和錯誤型選擇中，還可以觀察到頻譜功率增加的 θ 波增強(qiáng)效應(yīng)，且前者的這種效應(yīng)更為明顯。其中 α 波抑制效應(yīng)一般發(fā)生在 θ 波增強(qiáng)效應(yīng)之后，θ 波增強(qiáng)效應(yīng)在實(shí)驗(yàn)對象觀察到自己選擇的圖片出現(xiàn)在屏幕上時就立刻出現(xiàn)，時間段為 0～500 ms，而 α 波抑制效應(yīng)一直持續(xù)到此階段結(jié)束。對于相位同步性特征，從圖 6(b)可以看出，在做出穩(wěn)妥型選擇后，δ 波段和 α 波段的鎖相程度顯著增加，風(fēng)險型選擇在 δ 波段也有類似的相位同步增強(qiáng)活動。值得一提的是，雖然錯誤型選擇的 δ 波段鎖相持續(xù)時間較長，但程度并不明顯，且其他波段也沒有明顯的相位同步變化。

對圖 6 的頻譜變化數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(如表 2 所示)，其中將 3 種類型的選擇分為 4 組，每一組之間都對 3 個頻段腦電活動上的 ERSP 和 ITC 變化進(jìn)行顯著性分析。從表 2 可以看出，3 種選擇的頻譜數(shù)據(jù)相關(guān)性都很顯著，而穩(wěn)妥型選擇與風(fēng)險型選擇的 δ 波活動在鎖相程度和平均功率變化上比較類似，其 α 波頻譜功率抑制效應(yīng)無明顯差異。

3.3 輸贏結(jié)果反饋階段的時頻活動

圖6 確認(rèn)與等待階段 ERSP 和 ITC 頻譜圖Fig.6 ERSP and ITC spectrograms in the confirmation and waiting stage

表2 不同類型選擇之間的頻譜變化方差分析 P 值表Table 2 P-value of spectrum change under different choices

圖 8 為 3 種游戲結(jié)果中 δ 波的 ERSP 曲線和 ITC 曲線圖。在 3 種結(jié)果圖片刺激后，實(shí)驗(yàn)對象的腦中央?yún)^(qū) δ 波的平均功率譜和相位相關(guān)性均有 0～800 ms 的增強(qiáng)變化，但 3 種結(jié)果反饋之間的變化差異并不明顯，未達(dá)到 β 波活動的差異性(F2,84＝0.78, P＝0.461)。

圖7 輸贏反饋階段 β 波和 δ 波的 ERSP 圖Fig.7 ERSP of β and δ in the feedback stage

圖8 輸贏反饋階段 δ 波的 ERSP 和 ITC 曲線圖Fig.8 ERSP and ITC of δ in the feedback stage

為了進(jìn)一步觀察獲勝、失敗、平局 3 種不同反饋結(jié)果對實(shí)驗(yàn)對象各頻段腦電波活動產(chǎn)生的影響，分別對 α 波和 θ 波制作 ERSP 曲線以及 ITC 曲線圖(圖 9～10)。通過比較全腦額葉區(qū)、頂葉區(qū)、中央?yún)^(qū)、枕葉區(qū)以及顳葉區(qū)的這兩個頻段的腦電活動，發(fā)現(xiàn)頂葉區(qū)活動強(qiáng)度最高。從圖 9(a)可看出，有兩個 θ 波功率增強(qiáng)活動，分別為 0～500 ms 時間段和 500～1 000 ms 時間段。在第一個 θ 波功率增強(qiáng)活動中，失敗結(jié)果組增幅最大，其次是平局組，最后是獲勝結(jié)果組(F2,66＝3.43, P＝0.038)。在圖 9(b)中，失敗結(jié)果組中的相位同步程度也是最大的(F2,66＝2.64, P＝0.078)，其持續(xù)增強(qiáng)的時間段為 0～400 ms，對應(yīng)于第一個 θ 波 ERSP 增強(qiáng)活動時間段。

從圖 10(a)可看出，α 波的平均功率在 0～500 ms 有一個持續(xù)的降低變化。在失敗結(jié)果組中，α 波的功率抑制效應(yīng)最明顯，其次是平局結(jié)果組，而 α 波功率下降幅度最小的是獲勝結(jié)果組(F2,66＝2.5, P＝0.091)。從圖 10(b)可看出，α 波的相位同步變化與 θ 波相似，即失敗結(jié)果組的變化幅度最大(F2,66＝1.21, P＝0.306)。但與 θ 波活動不同之處在于，α 波的鎖相變化在時域上與平均功率譜變化不一致。

4 討論與分析

圖9 輸贏反饋階段 θ 波的 ERSP 和 ITC 曲線圖Fig.9 ERSP and ITC of θ in the feedback stage

圖10 輸贏反饋階段 α 波的 ERSP 和 ITC 曲線圖Fig.10 ERSP and ITC of α in the feedback stage

在決策計(jì)劃階段，無論實(shí)驗(yàn)對象做出哪種類型的選擇，都會產(chǎn)生功率持續(xù)增強(qiáng)的額葉 θ 波效應(yīng)和頂葉 α 波效應(yīng)。由于該任務(wù)在實(shí)驗(yàn)對象按鍵選擇之前沒有顯示圖片刺激，他們需要通過先前的記憶來確認(rèn)相應(yīng)的數(shù)字選擇，且需要先經(jīng)過幾局嘗試性的游戲來學(xué)習(xí)電腦的選擇規(guī)則。以上一系列認(rèn)知過程是共同產(chǎn)生的，與出現(xiàn)順序無關(guān)。結(jié)合前人對決策任務(wù) α 波和 θ 波的活動分析[25-27]可知，功率較低的兩個波段反映了認(rèn)知控制與選擇注意功能的缺陷。該階段的額葉 θ 波效應(yīng)和頂葉 α 波效應(yīng)與實(shí)驗(yàn)對象的 3 種決策方案是相關(guān)的，其相關(guān)性在于，不同的決策方案會產(chǎn)生功率強(qiáng)度的變化，或者兩種效應(yīng)發(fā)生順序的變化。當(dāng)實(shí)驗(yàn)對象不想失敗，決定做出穩(wěn)妥型選擇時，頂葉 α 波增強(qiáng)效應(yīng)發(fā)生在額葉 θ 波增強(qiáng)效應(yīng)之前；當(dāng)實(shí)驗(yàn)對象想獲勝，決定冒著 33% 的失敗概率而做出風(fēng)險型選擇時，額葉 θ 波增強(qiáng)效應(yīng)發(fā)生在頂葉 α 波增強(qiáng)效應(yīng)之前；且兩種選擇中這兩種活動增強(qiáng)的程度是相同的。Rajan 等[32]的研究表明額葉 θ 波的振蕩活動與額葉神經(jīng)元信號索引決策的過程相關(guān)，起到了控制注意力與決策執(zhí)行間的通訊作用。也就是說，兩種效應(yīng)的發(fā)生順序很有可能反映了實(shí)驗(yàn)對象渴望勝負(fù)的認(rèn)知過程，也可以作為其做出風(fēng)險型決策或穩(wěn)妥型決策的生物標(biāo)記。在實(shí)驗(yàn)對象的少數(shù)錯誤選擇中，α 波功率增強(qiáng)活動無明顯的變化規(guī)律，而其 θ 波的功率增強(qiáng)程度比另外兩種選擇都要高，這可能意味著與錯誤刺激相關(guān)時，θ 波會有對應(yīng)的功率增強(qiáng)變化。

在確認(rèn)與等待階段，實(shí)驗(yàn)對象需要觀察屏幕上出現(xiàn)的所選圖片，確認(rèn)選擇并等待計(jì)算機(jī)做出選擇。實(shí)驗(yàn)的這一部分主要涉及實(shí)驗(yàn)對象提高大腦注意力強(qiáng)度的認(rèn)知過程。Klimesch 等[10-11]的研究表明，α 波的抑制活動與選擇注意力相關(guān)，同時也有研究[33]表明 δ 波的增強(qiáng)活動會在注意力增強(qiáng)的時間段發(fā)生。本文出現(xiàn)的 α 波的平均譜功率抑制效應(yīng)和 δ 波的相位同步增強(qiáng)活動表明，實(shí)驗(yàn)對象在該階段出現(xiàn)了注意力增加、警覺性提高的認(rèn)知過程。此外，當(dāng)受試者做出選擇并認(rèn)為自己不會輸時，這些效果會更加明顯。但是，當(dāng)受試者做出錯誤選擇并感覺到自己一定會失敗后，這些認(rèn)知活動就會變得不明顯。

在最后的反饋階段，計(jì)算機(jī)做出選擇后，實(shí)驗(yàn)對象開始計(jì)算游戲結(jié)果，2 s 后游戲結(jié)果圖片出現(xiàn)在屏幕上。大部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在游戲結(jié)果圖出現(xiàn)前，實(shí)驗(yàn)對象已經(jīng)計(jì)算出對局結(jié)果，這段時間的頻譜活動反映了不同的輸贏結(jié)果反饋與認(rèn)知過程的聯(lián)系。已有研究表明，內(nèi)側(cè)額葉不同頻段的腦電波活動與決策游戲的輸贏結(jié)果反饋相關(guān)，其中輸?shù)舻姆答佒心X電活動比較明顯[34-35]。因此大腦幾個區(qū)域(如額葉、中央?yún)^(qū)和頂葉)的 δ、θ、α 和 β 波的平均譜功率變化可能與判斷的認(rèn)知過程以及獲勝、失敗的結(jié)果反饋有關(guān)。通過比較 3 種游戲結(jié)果中的 β 波增強(qiáng)效應(yīng)、θ 波增強(qiáng)效應(yīng)和 α 波抑制效應(yīng)，可以很明顯地發(fā)現(xiàn)失敗結(jié)果組的變化程度最大。因此，當(dāng)實(shí)驗(yàn)對象發(fā)現(xiàn)自己輸了游戲時，相應(yīng)的平均功率譜和相位同步程度會有更多的幅度變化。而由于本次實(shí)驗(yàn)未設(shè)置獎賞機(jī)制，獲勝結(jié)果組的功率譜變化與平局結(jié)果組的功率變化并沒有明顯的差異。

5 結(jié) 論

本研究設(shè)計(jì)了一種與決策游戲相關(guān)的認(rèn)知任務(wù)，并用時頻分析方法觀察 4 個頻段的腦電波活動與不同階段認(rèn)知功能的聯(lián)系。研究結(jié)果顯示，θ 波功率增強(qiáng)效應(yīng)和 α 波功率增強(qiáng)效應(yīng)的發(fā)生順序與人們風(fēng)險型決策和穩(wěn)妥型決策方案的選擇，以及渴望獲勝或不想失敗的機(jī)制有關(guān)。當(dāng)受試者確認(rèn)他們的選擇并等待對方做出選擇時，發(fā)生了明顯的 α 波功率抑制效應(yīng)和 δ 波相位同步增強(qiáng)效應(yīng)，這些效應(yīng)與注意力提高的認(rèn)知過程相關(guān)。在最終結(jié)果反饋階段，當(dāng)受試者發(fā)現(xiàn)自己失敗時，其 θ、β 波的功率增強(qiáng)活動和 α 波功率降低活動更明顯。以上研究表明，通過對不同頻段腦電波活動進(jìn)行時頻分析可以清楚地了解相應(yīng)認(rèn)知過程中的大腦活動，有助于腦認(rèn)知科學(xué)的可視化研究，為認(rèn)知評估標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)立奠定基礎(chǔ)。