P300与认知加工:方法、机制和应用*

肖英霞

认知是大脑对客观世界的信息加工活动，包括感知、注意、记忆、言语、思维等心理过程，它是由复杂的神经活动来实现的。通过ERP技术探究大脑认知加工的神经电生理活动时，通常会在300ms左右记录到一个正成分，即P300波。大量研究表明，P300是ERP的第一个内源性成分，它较少受刺激表面物理性质的影响，与人类高级心理活动密切相关[1-2]。从Sutton最初发现P300至今，研究者致力于探讨P300与认知加工之间的内在联系，相关的研究提出了一些建设性的理论，但同时也存在很大的分歧和争论。

Isreal认为，P300反映了大脑的注意加工过程，当新异刺激出现，大脑需要投入注意资源去辨别和评价刺激，因而会诱发 P300[3]。Donchin则认为，P300的产生和工作记忆的更新有关，并提出了背景更新理论模型(Context－updating theory)来解释P300的产生[4]。该理论认为，信息以一定的形式存储在大脑(记忆)中，这种表征形式被称为“图式”，新的刺激输入之后，大脑会把新的刺激和已有的刺激图式进行比较。当新输入的刺激和原有的刺激相同时，当前记忆图式不会发生改变，只会诱发和感知相关的N1、P2、N2等成分;而当新输入的刺激与记忆中的刺激不同时，大脑就要对当前的场合模型进行更新，从而诱发了P300。后续的研究提出了一些新的理论来解释P300的产生，如Verleger认为P300代表了感知和反应之间的神经联系[5];Soltani指出P300与大脑的抑制加工有关，当新刺激出现时，大脑抑制无关信息的加工，同时把注意集中到目标刺激上[6]。Moti研究发现，没有意识到的信息，同样可以诱发P300，说明其代表了大脑对刺激的潜意识加工[7]。随着ERP技术在心理研究中的广泛应用，针对P300的研究取得了许多具有理论和应用价值的研究成果。然而就像人们还不十分了解认知加工一样，对P300的研究也十分的肤浅，关于它的特性，以及它如何反映认知加工过程的仍存在着很多的争论。本文从认知神经心理的角度，探讨有关P300的心理实验方法、心理机制及其在认知障碍研究中的应用，这将为揭示P300的心理意义，以及进一步认识大脑的认知加工过程提供重要的理论支持。

1 诱发P300的心理实验方法

1.1 Oddball范式

在ERP研究中，通常采用Oddball范式来诱发P300。Oddball范式的实验过程是随机向被试呈现两种不同的刺激，即目标刺激和标准刺激，其中目标刺激出现的概率要远远小于标准刺激(目标刺激概率为20%，标准刺激出现的概率为80%)，而被试只对目标刺激进行反应(见图1)。在oddball范式中，P300的波幅和潜伏期随着任务变量而发生改变，这些变量包括刺激的数目、目标刺激的概率以及时间间隔。

Snyder通过改变刺激的数目，发现了P300的亚成分，该研究在刺激序列中呈现3个刺激，即在标准刺激和目标刺激中加入分心刺激，被试同样只对目标刺激做出反应，不对分心刺激反应[8]。3个刺激的实验中发现了P300的两个亚成分P3a和P3b。被试虽然不对分心刺激做出反应，但分心刺激却诱发P3a，它的潜伏期较短(200～280ms)，主要分布在额叶－中央区域，研究者认为它与大脑的抑制以及新异刺激的加工有关。目标刺激可以诱发P3b，它的潜伏期较长的(300～600ms)，主要分布在顶叶区域，经典的P300实际上就是P3b。

Polich在oddball范式中通过改变目标刺激的概率，发现了P300的适应现象[9]。该研究把目标刺激出现的概率分别设置为 0.1、0.3、0.5、0.7、0.9，结果表明，P300的波幅与目标刺激出现的概率成反比，即目标刺激出现的概率越大，P300的波幅越小，当目标刺激出现的概率达到0.9时，几乎不能够诱发 P300。Lindin的研究也得出了相同的结论[10]，该研究采用听觉oddball范式，把500个刺激分成5个区组，每个区组中会随机插入20个目标声音，5个区组依次呈现。研究结果表明，从区组二开始，P300的波幅出现了显著的降低。目标刺激的重复出现导致了P300波幅的降低，研究者把这种现象称作P300的适应，其原因是大脑对重复出现的目标刺激出现了适应性，不需要更多的注意资源去加工刺激，从而使P300的波幅下降。

在刺激的数目和概率不变的情况下，时间因素成为影响P300波幅和潜伏期的独立变量，包括目标刺激的时间间隔(Target－to－target interval，TTI)和标准刺激的时间间隔(Nontarget－to－nontarget interval，NNI)。研究最初发现目标刺激的时间间隔对P300产生影响，目标刺激时间的间隔越长，P300的波幅越大，潜伏期越短，当目标刺激出现的时间间隔为6～8秒时，所诱发的波幅最大[11]。而近期的研究发现标准刺激的时间间隔(NNI)同样影响P300的波幅，当 NNI增大时，标准刺激的P300波幅增大[12]。刺激的时间间隔决定了大脑重新分配资源所需要的时间，当目标刺激的时间间隔变长时，大脑就有充足的注意资源分配到两个任务上，进而导致P300波幅增大。但是标准刺激和目标刺激的P300时间效应存在一定的差异，这也是未来研究的方向之一。

图1 Oddball范式实验过程

1.2 Go/NoGo范式

传统的oddball范式仅要求被试做出简单的判别和反应，而Go/NoGo范式则在Oddball范式基础上增加了任务的难度，可以用来探索更复杂的认知加工活动。该范式的实验过程是随机向被试呈现一系列刺激，刺激可分为线索和目标刺激，被试需要对线索后的目标刺激进行反应。Bekkera的实验中[13]，以字母A为线索，X为目标刺激，当字母 X出现在线索A之后就需要做出反应(Go);其它字母出现在A之后需要抑制反应(NoGo)。ERP数据叠加发现，Go和NoGo两种实验条件都会诱发P300，但波幅和脑区却存在很大的差异，与Go实验条件相比，NoGo条件下所诱发的P300的波幅更大，潜伏期更长，而且更多集中在额叶中央区域，研究者把这种现象称为 P300的 NoGo效应[14]。P300的 NoGo效应说明在两种实验条件下，大脑的加工机制不同:Go实验条件所诱发P300的性质与Oddball范式相同，即对新异刺激的辨别和反应;而NoGo条件诱发的P300则与大脑的抑制加工有关，即要抑制即将发生的行为反应。此外，Go/NoGo范式中Go和NoGo刺激出现的概率相同，该实验过程可以有效的控制刺激偏差对大脑的影响，而主要用来探讨大脑的抑制加工。

2 P300的认知加工机制

注意、记忆和抑制等是大脑基本的认知加工活动，作为ERP的第一个内源性成分，P300是如何反映这些认知加工?大量研究显示，它与注意资源的分配、记忆的更新、抑制加工等认知过程相关。

2.1 P300与注意资源的分配

研究者假设P300与大脑的注意资源分配有关，所以通过双任务的方法探讨了P300与注意加工之间的关系。Allan[15]研究中采用听觉和视觉两个任务，相继呈现由两种声音和两种颜色分别组成的听觉和视觉Oddball范式。该实验分成3种任务类型:第一类任务为控制条件，即只呈现视觉刺激让被试判断;第二类任务是依次呈现听觉刺激和视觉刺激，但要求被试忽视听觉刺激，而只对视觉刺激做出反应;第三类任务同样是在视觉刺激之前呈现听觉刺激，要求被试默数听觉刺激的数目的同时，对视觉刺激做反应，并强调两个任务同样重要。该实验结果表明，对于听觉oddball任务，只有第三种类型才能诱发声音P300，而听觉任务对后面视觉任务的P300波幅产生了影响，即当第一个任务可以诱发P300时，第二个任务P300的波幅将显著下降。Kida[16]等的实验中同时呈现两个任务，第一个任务为视觉追踪任务，同时改变追踪任务的可预测性来改变任务的难度，第二个任务是体表感觉的Oddball范式。结果发现，当第一个任务变难，即追踪的目标不可预测时，第二个任务P300波幅明显下降。双任务为什么会导致P300波幅的下降?Polich认为，P300与人的唤醒水平呈正相关，而唤醒水平决定了大脑的注意资源总量。当出现多个任务竞争的时候，总的注意资源要分配到不同任务中，致使每个任务分配到的注意量减少，而当第一个任务的难度增加时，需要更多的资源分配给第一个任务，导致了第二个任务资源的减少，表现为P300波幅降低，潜伏期延长。双任务的研究证实P300代表了注意资源在任务之间的分配，而且这种资源的调控不受刺激物理特征的影响，它反映了大脑对资源的中央调控。

2.2 P300与记忆加工

记忆是人类主要的心理活动之一，而负责加工记忆的边缘系统是P300的重要起源之一，这说明P300与记忆加工存在着密切的关系。研究者在记忆的编码、存储和提取阶段，都发现了P300的心理效应。

在记忆编码阶段，Wiswede[17]采用 ERP的方法探索了自由回忆中的系列位置效应，并通过P300的变化来解释这种记忆现象的脑机制。首先，首位刺激和末位刺激所诱发的P300成分显著大于中间位置的刺激;其次，首位刺激和末位刺激P300的大脑激活模式不同，300～400ms时间窗口中，额叶区域出现了明显的首位效应，而没有出现近因效应，与此相对应，顶叶区域出现了明显的近因效应，脑区的差异证实了首位刺激和末位刺激的编码方式不同。

在记忆的存储和提取阶段，Elward[18]的研究发现之前出现过的“旧”刺激和没有出现过的“新”刺激相比，引发了更大的P300成分，这种现象被称为ERP的“新旧效应”。再认理论认为再认加工分为两个阶段[19]:一个是自动的、无意识的加工，把呈现的刺激和记忆中刺激进行初步的比较;第二阶段是有意识提取，并选择一个合适的反应阶段，P300反映了再认的后一阶段的加工。和“新”刺激相比，被编码过的“旧”刺激在大脑中留下了痕迹，再认时大脑对这些痕迹存在着一个有意识的提取过程，所以“旧”的单词产生了更大的P300波幅。

2.3 P300与抑制加工

P300代表了大脑抑制加工这一观点得到了大量实验的证实，如 Smith[20]在Go/NoGo范式中设置了两种反应类型，一种是对Go刺激作出按键反应，另外一种是对Go刺激不作出按键反应，只报出刺激出现的次数，结果发现P300的NoGo效应在按键反应条件下更明显。在按键条件下，当出现NoGo刺激时，被试需要抑制自己的外部反应，这种抑制是产生P300的主要原因。此外，P300的波幅与大脑的抑制能力相关，如Smith[21]的研究发现，被试反应时越快，抑制能力越强，其P300的NoGo效应越大;Randall的研究发现[22]，在 NoGo条件下，被试正确反应的波幅，要大于错误反应的波幅，说明P300的波幅会随大脑抑制功能的增强而增大。

3 P300在认知功能障碍研究中的应用

从首次发现P300到现在，心理学家经历了半个世纪的钻研和探索，已经取得了很多有价值的研究成果，这些成果将为人类心理疾病的诊治带来意义重大的应用价值。目前，心理疾病的甄别主要依赖心理测试，而传统的心理测试方法过于简单和主观，无法准确地识别和区分各类心理疾病，给诊断和治疗带来了很大的困难。P300作为评价认知功能的客观电生理指标，具有较高的敏感性和特异性，在心理疾病的诊断中发挥重要作用，成为检测认知功能障碍的发展趋势。心理和精神疾病患者，如痴呆、抑郁症、注意缺陷多动等疾病，均存在不同程度的认知功能障碍，如注意缺陷多动障碍存在注意和抑制缺陷;痴呆患者存在记忆功能缺陷;抑郁症患者存在注意、记忆以及执行功能缺陷，P300可以敏锐的反映出认知功能的变化。

3.1 P300与注意缺陷多动障碍

注意缺陷多动障碍(Attention deficit hyperactivity disorder，ADHD)是以注意涣散、多动和冲动为主要特征的心理障碍，伴有明显的注意和抑制缺陷，是儿童比较常见的一种心理疾病。临床应用中，通常采用视觉和听觉Oddball任务对ADHD儿童和正常儿童进行比较，并以P300的波幅和潜伏期作为评价指标。研究发现正常儿童和ADHD儿童的P300存在显著差异:正常儿童 P300的平均潜伏期为300ms，ADHD儿童的平均潜伏期为500ms;正常儿童的平均波幅为2uv，ADHD儿童的平均波幅为1.5 uv。此外，通过比较发现，正常被试的P300波幅存在注意＞非注意效应，而这种效应在ADHD儿童身上却显著降低[23]。

通过P300的波幅和潜伏期的差异，对ADHD儿童和正常进行诊断和区分。Robaey[24]以12个ADHD患者为被试，让其执行四个基本任务:区分单词和图片、数字和三角的顺序排列，结果发现右脑顶枕区域P300波幅可以区分79%的被试。Satterfield采用听觉任务，使用 P300波幅为指标，发现对ADHD患者区分正确率达到81%[25]。Smith通过对ADHD的患者和正常人进行辨别，对ADHD儿童辨别的准确率可达73%[26]。

3.2 P300 与痴呆

痴呆(阿尔茨海默症)是一种严重的认知功能缺陷，临床表现为记忆功能的丧失，由于痴呆具有不可逆转性，所以早期的防治尤为重要。对于痴呆的传统诊断方式，主要依赖于神经心理测试，包括注意测试、韦氏记忆量表、Stroop测试等。P300具有较高的敏感性，神经心理测试结合脑电P300指标，可以大大地提高痴呆诊断的准确性。Lee的研究发现，痴呆患者P300的波幅和潜伏期，都和神经心理测试结果存在显著相关[27]。Lai研究则发现，P300的潜伏期比神经心理测试具有更高的敏感性[28]。

Goodin最早使用听觉P300对痴呆患者进行研究，从最初的研究报告至今，积累了大量的关于痴呆患者和正常被试的ERP对照研究，为P300在临床应用提供重要依据。现有研究报告中，P300对痴呆诊断的敏感性和特异性从20% ～95%，近期的临床研究使用更精细的处理(如偶极子源分析、脑地形图)，P300的敏感性和特异性平均可以达到80%以上[29]。在P300的波幅和潜伏期两个指标中，潜伏期对痴呆的诊断起到更为重要的作用，和年龄匹配的正常被试相比，痴呆患者的P300潜伏期显著延长，Goodin研究首先报道，痴呆患者P300潜伏期较正常对照组被试超过2个标准差，这一结论在后续的研究中得到了证实[30]。根据这一特点，将P300潜伏期作为痴呆的诊断性指标。痴呆患者在潜伏期延长的同时，波幅也显著降低。Lai对痴呆、轻度认知功能障碍、正常被试的P300进行了一年的调查研究[28]，发现痴呆组被试的P300波幅降低、潜伏期延长，二者均达到显著水平。在脑区上，Lee发现正常被试和痴呆患者右脑C6处的P300存在显著差异，而左脑却没有出现这种差异，说明痴呆患者右脑的损伤大于左脑[27]。

3.3 P300 与抑郁症

抑郁是以情绪低落为主要症状的心境障碍，抑郁症患者在加工认知任务时，大脑的激活模式异于正常人，表现为执行功能、注意、学习、记忆和精神运动速度等方面的缺陷[31]。

P300评估抑郁症的研究中存在很多争论，其焦点在于波幅的降低和潜伏期的延长是否是抑郁症患者的典型特征。与其它认知障碍相同，研究发现患者P300的波幅较正常被试显著降低，伴有精神病性症状或有自杀念头的抑郁症患者波幅下降更明显;在波幅降低的同时，抑郁症的潜伏期显著延长，研究者指出抑郁症患者潜伏期延长两个标准差以上，可以认作认知功能受损的电生理指标[32]。在波幅降低和潜伏期延长的同时，抑郁症患者的P300存在一些特异性，通过此类特性可以对抑郁症和其它心理疾病进行简单的区分。Yuezhi Li采用偶极子分析的方法对抑郁和焦虑患者P300成分进行分析[33]，发现抑郁症患者左脑的波幅大于右脑，焦虑患者情况相反。抑郁患者表现出左半球优势，而右侧大脑颞叶部位P300波幅降低，代表了抑郁症患者情绪唤醒机制缺陷。而对痴呆、抑郁和精神分裂患者的P300进行比较分析发现，痴呆患者潜伏期延长，精神分裂症波幅降低显著，而抑郁症患者是二者兼具，但是抑郁症患者波幅的降低程度次于痴呆和精神分裂[34]。

4 小结与展望

目前，针对P300的研究和探讨已经取得了实质性的进展，作为一种脑电信号，它被广泛应用于认知心理学的研究中。在现有复杂多样的ERP研究文献中，文章重点从实验范式、心理机制和临床应用3个方面回顾和阐述了P300的心理特性。在研究范式上，oddball和Go/NoGo任务已经成为诱发P300的经典实验范式，在心理实验和临床领域得到了广泛的应用。理论和实证的研究同时表明P300与认知加工之间的因果关系:它可以敏锐的反应大脑的注意、记忆、抑制以及执行功能等认知活动。在临床应用领域，P300作为评价认知功能缺陷的客观电生理指标，对注意缺陷多动障碍、抑郁、痴呆等疾病的诊治起到重要的评估作用。虽然现有国内外的研究已经取得了很大的成就，但仍然有很多未知和难题亟待解决:

概念界定的模糊与评价指标的单一性。首先，在概念的界定上模糊不清，对于哪些脑电信号可以界定为P300存在很多分歧，由于实验任务的不同，一些研究把250～500 ms内的正成分定义为P300，而另外一些研究扩大了时间窗口，把250～800ms时间的成分统称为P300。在子成分的划分上，一些研究把它分为P3a和P3b，而另为一些研究则把P1、P2等正成分划入P3的范围内，进行比较和分析，概念的界定将直接影响实验结果的分析。其次，作为一种脑电的信号，P300本身有很大的局限性，它只有潜伏期、波幅、脑区分布3个指标，研究一般通过波幅的大小和潜伏期的长短来评价认知功能。然而在对认知缺陷的解释时，波幅的降低只能从注意资源分配以及记忆加工的有限性来解释，对于潜伏期的缩短仅仅从认知加工的速度和神经传递活动的快慢来解释，并无法深入的解释复杂的认知加工过程。

研究范式缺乏规范性。Oddball和Go/NoGo两种实验范式是诱发P300的经典范式，然而在实验设计中存在很多的变量，如oddball任务中刺激的数目、概率、时间间隔，Go/NoGo任务中NoGo条件下采用何种反应方式等，这些变量的改变将直接影响P300的波幅和潜伏期。其次，一些研究并没有严格区分各种实验范式，甚至把Oddball任务和Go/No-Go任务混淆，两种实验任务在难度和心理加工过程上都存在很大的区别。Oddball只是简单的辨别和区别，而Go/NoGo任务则存在抑制加工过程。研究方法上的区分不严格必定会造成实验结果的不一致，导致关于P300的解释存在很多分歧甚至矛盾之处。

在临床应用领域研究薄弱。目前，P300作为客观的脑电指标，在临床和心理疾病的诊断中并未得到广泛应用。这是因为P300本身具有一定的局限性，它只能简单的判断是否存在认知功能障碍，并不能确定心理疾病的类型。此外，临床中对于各类心理疾病研究不均衡，对于痴呆的研究中的应用相对较多，并得出了较一致的结论，而对于抑郁、学习困难、注意缺陷、多动障碍等其他领域的研究相对较少。

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