犬听觉失匹配性负波研究

袁 野，葛学忠，张 跃，刘 云

（1.东北农业大学动物医学学院，黑龙江 哈尔滨150030；2.哈尔滨铁路公安局警犬繁育训练基地，黑龙江，哈尔滨 150030）

犬的行为学研究在20 世纪90 年代得到了极大的发展，行为学实验结果强有力的证明了犬具备极强的社会化认知和工作能力[1]。虽然这些实验用到的行为学方法被作为建立犬多种扩展技能和理解犬认知力的首选工具，但其实验结果还是较易受到诸如犬的动机、服从以及训练水平等因素的干扰。这一系列问题必然导致了以行为学方法获得的试验结果其本身存在很大问题。具体而言，就是假设犬没有完美的完成任务，但通常其本身可能具备通过这些测试的能力，仅仅是因为缺少对执行任务本身的欲望和对任务之需求的理解力，导致了任务无法被完成。由此可见，以基于物理学原理发展而来的脑电图（Electroencephalo graphy，EEG）技术来衡量犬的认知过程相比于以行为学方法来对犬认知进行研究会是一种客观中立而又行之有效的方法。

对动物脑电信号的研究还停留在EEG本身[2]，而少有深入到对动物的ERPs 及其成分的分析上。失匹配性负波（Mismatch negativity,MMN）就是一系列事件诱发电位（event-related potentials,ERPs）后成分中的一种，它是由一组相同的标准刺激（standard stimulus）中偶然出现的一个不同的偏差刺激（deviant stimulus）所引起的出现在刺激后160～220 ms 的成分。试验表明，提取出MMN成分的概率和偏差刺激的发生概率成负相关，例如偏差刺激次数为总刺激次数的20%时，MMN的发生概率高于50%时的概率，因此MMN 被用来观测重复刺激序列中的突发性成分[3]。在人类,由于MMN可能反映了高阶认知情绪流程,它不仅可以在注意力得不到有效地集中时仍可得到有效诱发，还可以在睡眠、苏醒或昏迷状态下出现，故此在阿尔茨海默氏症[4]和精神分裂症[5]上得到了广泛的应用。所以它的发现使科学界在研究脑的自动加工时有了客观指标，使脑的自动加工、内隐认知、意识等较难研究的科学领域进入了一个新时期[3]。由此可见，对犬MMN进行提取和分析是一个对了解犬认知行为过程的特别有用的方法。

1 材料与方法

1.1 试验材料 12 月龄史宾格犬2 只（哈尔滨铁路公安局警犬繁育训练基地）；日本光电EEG-9200K 型脑电记录系统（东北农业大学动物医学学院）；针式电极（日本光电）；吸音棉（广州伟达）等。

1.2 刺激方法 采用Oddball 听觉刺激范式，Oddball 范式是很好的适于提取到听觉诱发MMN 的试验范式，而听觉诱发MMN 又提供了一个不需要任何行为学反应的信号[6]。本研究通过E-prime®软件来实现听觉刺激过程，标准刺激和偏差刺激声音是由同一电脑音箱发出一系列两种不同的短纯音构成，标准刺激频率为500 Hz，发生概率为90%，刺激强度为50±2 dB；偏差刺激的频率为1 kHz，发生概率为10%，刺激强度为60±2 dB；单次刺激时间均为50 ms[7]。每个时间段（epoch）间隔2 s，每只犬的单次试验全程为400 s，共180 次标准音刺激和20 次偏差刺激。刺激模式示于图1。

图1 刺激模式图

1.3 试验方法 所有的脑电记录均在摆放有吸音棉的5 m×4 m 的脑电实验室中完成，为了使犬只适应这种环境，本研究令每只犬在实验室进行长达1 h 的环境适应探索行为，以使其达到最大限度的放松。而后对犬只进行麻醉，将记录电极放置于Cz 点、参考电极置于Cz 点向前2 cm 的位置、接地电极置于乳突上皮[8]。无菌操作针电极，插入犬头部下方的皮肤，在此过程中没有犬只因针电极的插入或拔出出现疼痛或痛苦的迹象。设置脑电记录设备采样率1 000 Hz，自带滤波器全部关闭，环境温度24 度，两只犬均记录到了完整的EEG信息。

图2 标准刺激与偏差刺激诱发听觉ER P 总平均

获得原始数据后应用MATLAB 对标准刺激和偏差刺激时间段进行数据分段（epoch）、并参照美国加州大学圣地亚哥分校斯瓦茨计算神经科学中心（SCCN UCSD）的方法[9]对原始数据进行滤波和伪迹去除，而后单独提取分段数据应用MATLAB对其进行迭加平均，进而获得了两犬只的总平均（grand average）ERP，结果见图2。最后,应用配对t检验法对各时间窗（P50:30～70 ms；N100:80～120 ms；MMN:180～220 ms）内的两组数据进行统计学分析[10-12]。

2 试验结果

2.1 P50 成分 在P50 成分时间窗口内由偏差刺激诱发产生的P50的局部峰振幅为2.478 μV，发生于52 ms。由标准刺激诱发产生的P50 的局部峰振幅为2.745 μV，发生于54 ms，p=0.8428、t=-0.1996、df:40，两组波形内在成分没有明显差异。

2.2 N100 成分 在N100 成分时间窗口内由偏差刺激诱发产生的N100 的局部峰振幅为-3.974 μV，发生于87 ms。由标准刺激诱发产生的N100 的局部峰振幅为-2.493 μV，发生于82 ms，p =0.9839、t =-0.0203、df :40，时间窗口内两组波形内在成分没有明显差异。

2.3 MMN成分 在MMN成分时间窗口内由偏差刺激诱发产生的MMN的局部峰振幅为-9.785 μV，发生于209 ms。由标准刺激诱发产生的MMN 的局部峰振幅为-0.5529 μV，发生于169 ms，p=4.3499e-32、t=-35.9809、df:40,时间窗口内两组波形内在成分差异显著。

2.4 结论 偏差刺激和标准刺激所诱发的P50、N100 的波形在各自的分析时间窗口内并无显著的统计学差异，而MMN 波形则存在着显著差异。这是偏差刺激诱发犬听觉MMN 的证据。

表1 标准刺激、偏差刺激诱发P50、N100、M M N的潜伏期、局部峰振幅和统计数据

3 讨论

30 ms 到70 ms 和80 ms 到120 ms 这两个时间窗口内由标准刺激和偏差刺激分别诱发所产生的波形并无显著的统计学差异，这表明了标准刺激和偏差刺激所诱发的P50 和N100 在内在成分上并无显著差异,意味着刺激的物理性质（强度、频率）与MMN 的出现与否是无关的。

180 ms 到220 ms 这个时间窗口内的统计学结果则显示，在此时间窗内由标准刺激和偏差刺激所诱发的波形是具有显著的统计学差异的，这说明在偏差刺激和标准刺激后180 ms 到220 ms 这一时间窗内的成分具有显著的不同。也就是说本研究记录到了在刺激发生后180 ms 到220 ms 的时间窗口内偏差刺激具有标准刺激所不具备的ERP 成分，这些成分以电位变化的形式体现了大脑在成序列的偏差刺激和标准刺激下对声音刺激这一单一变量不同的识别加工模式和过程，其在EEG上的体现就是只存在于偏差刺激后209 ms、局部最大峰值为-9.785 μV 的负波。由此可见，是偏差刺激的出现导致了在其发生180 ms 后的ERP 成分产生了变化，上述现象与现有试验记录到的人类和其他动物的听觉诱发MMN 试验结果是相类似的[13-14]。假如这个成分产生于人类，则意味着被测试人感知到了这两组声音的不同，在此试验中则意味着被测试的犬感知到了这两组声音的不同。

所有证据都表明了，本研究所获得的在偏差刺激后采集到的局部最大峰值为-9.785 μV 的负波是由于犬机体对突然变换的刺激进行认知加工而产生的一组诱发脑电信号。这是一个重要的发现，虽然本研究还需要对其进一步研究以了解这些结果是否可靠，具体而言就是要对一个大样本的犬进行试验，这个样本需要对包括不同品种、大小和头部的形状的犬进行更细致的评价研究。除此之外，需要进一步研究的还有三点。第一，本研究的方法只使用了一个记录电极，这与人类诱发听觉MMN 的记录方式是不同的。故此，本研究需要更多的研究，以了解犬的诱发听觉MMN 究竟同人类的听觉诱发MMN 有多大程度的异同。第二，听觉诱发MMN 的研究也已经在涉及人类言语认知领域引起了相当高的重视，这些涉及语言元素的电生理反应的研究可以用来对犬的认知进行探讨，以评估他们如何处理这些相关刺激。第三，MMN 成分通常由听觉刺激诱发产生，但也在视觉和嗅觉刺激中被检测出，假使本研究将对犬听觉诱发MMN 的这种研究应用于嗅觉，将对更好地理解狗的嗅觉能力是特别有利的，因为犬的嗅觉并不是很好理解，但军队、警察和政府机构却又高度依赖于犬的嗅觉[15]。具体而言，因为犬的嗅觉远远超过人类，训导员是无法依靠自己的嗅觉来确定犬是否已经检测到目标气味，研究犬的听觉诱发MMN 将使本研究能够了解狗的气味辨别能力的程度，并让训犬员能够了解受训犬只是缺少基于气味的条件发射行为或其他因素，如动机、训练水平等。

总的来说，本研究以经典的Oddball 范式记录到了偏差刺激使犬产生听觉MMN 的现象，并发展了一个适用于兽医研究的微创ERPs 提取方法，这种方法将提供给犬认知行为研究人员一种对犬的认知能力评估、加强行为研究的有效方法，使本研究对人类最亲密的伴侣动物认知能力的相关知识和理解能力得到迅速的加强。

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