视觉失匹配负波中的额叶注意机制研究



·国际之窗·

视觉失匹配负波中的额叶注意机制研究

/于澜1编译 冀飞1审校/1解放军总医院耳鼻咽喉头颈外科，解放军总医院耳鼻咽喉科研究所(北京100853)

1 研究背景

自动感知环境的变化是注意力的核心部分。失匹配负波(mismatch negativity，MMN)是一种电生理反应，是指在一系列符合规律的感官刺激中引入一个偏差刺激产生的反应，能够反映大脑对感觉信息自动监测的能力。这种偏差刺激的形式可以表现为刺激声特性的偏差如刺激声之间的抽象偏差或一系列对称刺激中的非对称刺激。电生理和功能性影像学研究表明，听觉失匹配负波(aMMN)与额叶和颞叶有关，其很快成为检测感官处理和注意力的工具，也是提示认知功能减退的一项指标，已被广泛应用于听觉领域，记录颞叶和额叶区域的中枢反应。

MMN的神经来源存在两种假说：一是大脑皮质优势颞叶区的反应，将传入刺激和先前刺激形成的记忆痕迹进行对比；另一个是额叶反应与刺激变化相关的注意力有关。fMRI(functional magnetic resonance imaging，fMRI)和PET技术能够显示左、右及双侧额下回(inferior frontal gyrus, IFG)对声刺激的音高变化的反应。声刺激的持续时间变化也与左、右及双侧IFG和额叶活动增强有关。额叶活动的位置变化可能与注意力有关，即对刺激声的集中程度。近期有研究运用独立成分分析来检测aMMN的振荡特点，推断额叶的活动增强范围与主动还是被动接受刺激有关，也与刺激的复杂程度有关。

鉴于aMMN网络似乎是由两侧听觉皮层与额叶活动相互作用产生的，因此，MMN中的额叶活动可能来源于其他感官反应。最近关于aMMN和视觉MMN(vMMN)的理论和实践证明，额叶和分级预测编码的感觉区存在相互作用。鉴于此，当感官输入与预测输入不匹配时，MMN会提示出现一个错误信号。额叶机制被认为是基于预测编码，然后反馈回感官处理区域。因此，额叶区域与vMMN有关，然而额叶机制的位置和性质在文献中尚未见明确描述。额叶机制可能对多个模式的变化敏感，可运用fMRI来检测特定模式和常规网络下视觉、听觉和触觉被动感知变化的能力。单一模式状态的激活会出现在相应的视觉、听觉和躯体感觉处理区域，而多模式的活动分布属网络式的，包括双侧额前叶和右侧脑岛，尽管额叶的功能作用和位置还不明确，越来越多的研究表明额叶区域与视觉异常感知有关。

本研究旨在运用改进的fMRI和EEG(electroencephalography，EEG)相结合的方式，在无认知负荷导致的潜在混杂因素的影响下，观察对于简单视觉对象改变时产生的vMMN反应，目的是研究额叶的活动是否与vMMN有关，并进一步探测对刺激变化的低位感知是否存在多模式机制。

2 方法及结果

本研究选取20名健康青年人，年龄21～34岁，平均25.1±4.5岁，其中男7例，女13例。参与者被指示持续注视屏幕上大蓝框(10.5°×10.5°)中的小蓝框(1.3°×1.3°的视角)，蓝框的中心会周期性地变成红色，当颜色变化时，参与者需尽快做出反应，即按下按钮；受试者只需将注意力集中于固定刺激和靶刺激，忽略任何出现在屏幕上的其他刺激。由于靶刺激只是偶尔出现，受试者必须保持注意力高度集中。单白条(3.9°×1.2°)和双白条(每条3.9°×0.6°)，两者在总量上是一样的，亮光总是同时出现在中央蓝框的上方和下方。由于单双白条作为标准刺激和偏差刺激会相互抵销，因此，规定双条作为偏差刺激、单条作为标准刺激时定义为A，单条作为偏差刺激、双条作为标准刺激时定义为B。刺激分布于18个平衡区块(counterbalanced blocks)，八个区块仅包含标准刺激和靶刺激(称作standard only部分)，十个区块包含标准刺激、靶刺激和偏差刺激。18个区块出现的顺序完全随机，每个部分持续100～140 s，区块之间有15～25 s的间歇时间。运用划分区域的设计而不是事件相关设计，是因为MMN测试需要保证刺激间隔相对较短，使受试者保持牢固的感觉记忆痕迹。事件相关的设计在连续的刺激之间需要更长的时间间隔，以减少先前刺激产生的记忆痕迹。

标准刺激、偏差刺激和靶刺激会持续200 ms，随机刺激间歇的时间间隔(ISI)会持续500～700 ms。靶刺激和偏差刺激在标准刺激之间按照伪随机序列插入，这样在每个偏差刺激之前至少都有两个标准刺激。标准刺激、偏差刺激和靶刺激的比率为16：1：1，有1 248个标准刺激，18个偏差和78个靶刺激。包含标准刺激和靶刺激的区块中只有1 248个标准刺激和78个靶刺激被呈现。EEG和fMRI测试的顺序在参与者之间是相互平衡的，每次持续36分钟。在早期的视觉诱发电位研究的基础上，选取七个电极(O1、Oz、O2、PO9、PO10、PO7、PO8)做统计学分析。这是第一个采用功能性影像学检查、通过vMMN反应测量神经反应机制的研究。探测感官对低水平改变的反应时建议使用多模式机制。结果表明，左脑额中回(MFG)和前下回(IFG)在靶刺激出现时活动增强。而这两个部位被认为是MMN的主要起源区域。

3 讨论

通过aMMN，额叶机制被描述为注意力定向或触发，识别感官处理区域的变化，这种功能与IFG的联系是模式相关区域的注意力网络，也建议右侧下额叶皮层的子区域帮助识别行为相关线索。关于为什么是左侧或双侧，需要达成一致。IFG的研究，可能是因为左侧IFG的活动是通过受试者根据制定的任务规则做出反应，而不是抽象的或口头的形式。在本研究中，对标准和偏差刺激的具体规则是恒定的(对靶刺激的反应是明确的)。研究中，对电生理 P3反应的监测也是对额叶区域活动(任务相关vs任务无关的事件/刺激)的补充证明。本研究采用类似于三种刺激的oddball刺激序列，包括标准刺激、偏差刺激和靶刺激，在这种情况下，非靶向的偏差刺激通常会引出一个额部生成的P3a成分，而靶刺激可能会引出一个额部生成的P3a和一个顶部生成的P3b。相比之下，偏差刺激一般不会引出一个清晰的额部 P3a，目前的研究也都说明了这一点。可能是由于靶刺激和标准刺激的差异小了，导致相关的反应降低或P3a反应缺失，并且，靶刺激还能引出N2和P3b ERPs反映了明确的注意力以及对这些刺激的反应。没有异常刺激直接作用时，事件相关电位ERPs中是不会出现这些成分的。因此，MRI的时域分辨通常很难从额叶后部区分MMN活动，研究观察到的活动反应可能与P3a无关。关于MMN的研究应当强调的是，额部信息反映的是注意力的捕获和/或潜在对注意力转向抑制干扰刺激。

只有在联合A刺激时，vMMN才能引出。vMMN反应是一个特异性的刺激反应，一项对ERP的随访研究数据显示，联合刺激确实能够引出vMMN (两个偏差刺激，一个标准刺激)。ERP反映的是双重刺激的关系，而不是刺激本身物理特性的差异。 研究发现不是所有的联合刺激都会引出MMN反应。MMN在听觉领域也有应用，如，频率的增加比降低能更有效引出MMN。vMMN的最新进展提供了更细致的方法来控制刺激的差异，但该方法不适用于功能性磁共振的研究。在当前研究中采用该方法需进行筛选，要能够同时采集事件相关脑电图和区组设计功能性磁共振的数据。联合B刺激不能引出vMMN反应。当脑电图记录到了vMMN反应，就会伴有左侧额叶BOLD的增加；若没有记录到vMMN反应，就不会有左侧额叶BOLD的增加，该方法被成功用于引出vMMN，在健康年轻人、老年人和老年痴呆患者中都曾成功应用于引出vMMN；因此，联合A刺激得到的反应能够识别视觉环境的改变。研究还发现顶叶连接的左缘上回活动增强，阻碍了相对于标准区域的偏差成分，正如左侧IFG(额下回)，该区域通常与语音处理、言语工作记忆有关。尽管可能会通过语义选择过程对反应进行控制调节，该区域的活动反映了刺激组合的变化需要一个偏差区域的运动反应。例如，对偶尔出现的靶刺激做出反应，而不是偏差刺激。研究还发现，相对于异常块，仅限标准刺激模块(standard only blocks)的某些区域活动增强，这些区域包括右侧中央鳃盖骨的皮质、右侧中央后回和右侧小脑，这种增强是预测范围外的。standard only blocks仍然需要受试者对靶刺激做出反应，因此，受试者在测试过程中并不是被动的或放松的状态。另一种解释是， 这些区域支持一个机制，即过滤(filters)是可预测的，标准条件下(standard-only conditions)的信息是不相关的，并且，该过程在偏差刺激出现时就会被破坏。小脑可能在aMMN中起着重要作用。

EEG和fMRI的效应在一致性上缺乏验证，建议采用多种测量技术。ERPs的数据缺乏额叶效应，负责早期P1和N1 ERPs的偶极子的方式结果导向在枕电极电压峰值，更关键的是正面电极的反向电压。vMMN 信息很难被分离出来，就像额叶aMMN的信息一样，从P1到N1，能量较弱。双边听觉偶极子导致头顶电压最大化，让额叶活动更容易被识别和分离。其次，额叶的定向机制不清，可能是采用最优方式进行额叶电极位置的识别。fMRI技术可能更适合探测与偏差刺激相关的额叶活动，单纯用EEG是无法探测偏差刺激的。vMMN反应的空间模型运用文中提到的解剖坐标，提供了一个可能的解决方案。

(编译自：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