正常成人在面孔识别过程中的脑事件相关电位特征*

孔祥慧张萍淑吴小英元小冬△雷 军王淑娟陶 莉张 健王 京

①中国.华北理工大学附属开滦总医院神经内科(河北唐山) 063000 ②河北省神经生物机能重点实验室(河北唐山) ③河北省唐山市神经病学重点实验室 △通讯作者

正常成人在面孔识别过程中的脑事件相关电位特征*

孔祥慧①张萍淑②吴小英②元小冬②△雷 军①王淑娟③陶 莉②张 健②王 京③

①中国.华北理工大学附属开滦总医院神经内科(河北唐山) 063000 ②河北省神经生物机能重点实验室(河北唐山) ③河北省唐山市神经病学重点实验室 △通讯作者

目的:应用脑事件相关电位(ERP)技术对于人的面孔识别机制进行研究,为评价早期认知功能障碍提供依据。方法:对30名正常志愿者进行面孔识别ERP实验,使用E-Prime软件进行面孔和房子等刺激目标的程序编辑,采用64导Neuroscan脑电信号采集系统进行脑电信号采集,并用Curry 7软件进行离线数据分析,应用SPSS17.0统计软件包统计学分析。结果:P100波幅的性别主效应显著(F=9.529,P＜0.01),刺激类型主效应显著(F=7.365,P＜0.01)。P100的潜伏期性别主效应显著(F=6.967,P＜0.01),刺激类型主效应显著(F=13.270,P＜0.01)。N170潜伏期的性别主效应显著(F=48.356,P＜0.01),波幅和潜伏期的刺激类型主效应也均显著(F= 36.782,38.309;P＜0.01),其中面孔刺激的波幅和潜伏期均大于房子(-8.847±4.453、-6.787±4.730μv,162.356± 13.834、148.352±16.917ms;F=74.243,75.140;P＜0.01),倒立面孔波幅和潜伏期均大于正立面孔(P=0.010, 0.020),但倒立房子的波幅和潜伏期与正立房子均无显著差异(P＞0.05)。VPP波幅的刺激类型主效应显著(F= 58.104,P＜0.01),电极部位主效应显著(F=9.136,P＜0.01)。N300波幅的性别主效应显著(F=10.936,P＜0.01),刺激类型主效应显著(F=4.595,P＜0.01),电极部位主效应也显著(F=6.396,P＜0.01)。结论:给予面孔视觉刺激后,首先同时在两侧大脑枕叶产生同等强度,没有面孔翻转效应的P100电位;随后同时在两侧大脑颞枕部产生具有明显右侧大脑优势和面孔翻转效应的特异性N170;最后,在额中央区产生晚期对于面孔进行分析加工的N300成分。

面孔识别;事件相关电位;P100电位;N170电位;VPP电位;N300电位

面孔作为非常特殊的视觉刺激源,除其包含的面孔固有形状、五官等外在的物质性特征外,还有性格、文化修养等内在的人文和社会以及情绪等大量信息。因此,面孔识别功能是人类正常生活和工作的基本条件,也是人认知功能的重要基础和组成部分[1]。目前,对于面孔识别机制的研究已成为心理学和行为医学关注的焦点[2]。自从1965年Sutton首次报道了脑的事件相关电位(event—related potential,ERP)以后[3],ERP已成为神经心理学领域最重要的研究方法之一,被誉为“窥测精神之窗”,其中内源性ERP已广泛应用于各种认知机制的研究[4]。研究表明,当人受到面孔或者非面孔视觉刺激后大约80～130ms之间在枕部出现明显的正性P100成分,然后在130～200ms出现颞枕部为著的负性成分波,即N170,也可在额中央区出现与N170极性反转的VPP[5]。也有报道在200～400ms之间可以出现与面孔识别密切相关的N300成分[6]。目前,国内外大部分研究主要是对其中某一种或者两种成分进行研究,较少对于在整个面孔识别过程中从感知电位到认知电位的产生特征以及性别等影响因素与之的关系进行系统分析。我们试图应用ERP技术对于正常人在面孔识别过程的早、中、晚期产生电位成分的特征进行研究,分析面孔识别的脑电生理学特征和机制,从而为临床早期评估和诊断人的认知功能障碍提供理论依据。

1 对象与方法

1.1 对象

选择30名正常志愿者,男14例、女16例,年龄23～67岁,平均(42.17±14.60)岁,均为右利手。文化程度:初中5例(16.7%),中专4例(13.3%),大专4例(13.3%),本科3例(10.0%),硕士研究生14例(46.7%)。所有志愿者的听力和视力或纠正视力均正常,注意力、记忆力、社会能力也均正常。全部志愿者均无影响大脑功能的各种神经系统疾病和内科疾病,无颅脑外伤史和精神疾病史,1个月内无应用各种镇静剂、兴奋剂等影响脑功能状态的药物史。全部志愿者均签订知情同意书。

1.2 方法

1.2.1 实验方法 实验程序采用E-Prime软件编程。实验共分为5组各40张图片,分别为倒立面孔、正立面孔、倒立房子、正立房子以及红色正方形方块。实验均在ERP多功能实验舱中进行,被试者静坐于实验舱中,眼睛注视前方70cm处的17寸液晶显示器中央,所有实验刺激均在显示器的白色背景中呈现。在ERP实验前被试者首先进行简明精神状况量表(MMSE)、Zung氏焦虑自评量表(SAS)、Zung氏抑郁自评量表(SDS)检测,了解每位受试者的精神状态。

1.2.2 实验程序 在ERP实验正式开始前,每位被试者首先进行预练习,以增加其对整个实验程序的了解和依从性。实验开始后,被试者需要接受40 ×5共200个刺激。倒立面孔、正立面孔、倒立房子、正立房子、红色正方形5种刺激随机出现在屏幕中央。实验指导语要求每位被试者对红色正方形进行计数,而忽略其他4种刺激以增加其对实验的关注程度。每个刺激图片的呈现时间为300ms,每两个刺激图片的间隔为1000ms。

1.2.3 ERP的记录和分析 本实验所采用Neroscan公司的64导脑电记录系统,电极分布是在国际脑电图协会通用的10-20系统基础上构成的。被试者佩戴64导电极帽,头皮与电极之间的阻抗应小于5KΩ。垂直眼电(VEO)由左眼上下1cm两个电极记录,两眼外侧1cm各一个电极记录水平眼电(HEO),鼻尖为参考电极,接地电极为GND,采样率为1000HZ。被试者的ERP结果采用Curry7软件进行离线数据分析,每次刺激截取的分析时间为-200ms～500ms,超过±100μv的脑电波将被剔除,将剩余刺激诱发的脑电波进行叠加平均得到AVG格式的ERP数据。

根据相关文献选取电极点的位置和ERP成分的分析时间窗,P100(80～130ms)选取枕部的PO3、O1、O2、PO4电极,N170(130～200ms)选取枕颞部的O1、O2、P7、P8、PO7、PO8、TP7、TP8等8个电极,VPP(130～200ms)和N300(200～400ms)选择额中央及其周围部的FZ、F3、F4、CZ、C3、C4电极[7-8]。对所有的波形均进行基线峰值测定。

1.3 统计处理

采用SPSS 17.0统计软件进行统计学分析,对所有被试者的倒立面孔、正立面孔、倒立房子和正立房子刺激的各个电极之间,以及每个电极的各种刺激的P100、N170和VPP、N300的波峰的幅值及潜伏期进行重复测量方差分析。

2 结 果

2.1 认知和精神状态评定结果

MMSE评分为(29.83±0.531)分。焦虑自评量表(SAS)标分为(36.57±7.099)分。抑郁自评量表(SDS)标分为(40.73±6.982)分。

2.2 ERP的检测结果

P100的方差分析波幅和潜伏期显示性别主效应均显著(F=9.529,6.967;P＜0.01),男性的波幅和潜伏期高于女性(3.157±0.107、2.704±0.100μv, 101.618±0.955、98.166±0.893ms;F=9.450, 6.629;P＜0.05);刺激类型主效应也均显著(F= 7.365,13.270;P＜0.01),面孔刺激的波幅和潜伏期大于房子(F=13.066,74.243;P＜0.01);正立面孔的波幅和潜伏期显著大于正立房子(P＜0.01),倒立面孔的波幅和潜伏期大于倒立房子(P＜0.01),但倒立面孔的波幅和潜伏期与正立面孔无差异(P＞0.05),倒立房子与正立房子也无差异(P＞0.05)。半球侧别的主效应也不明显(F=2.42、0.34,P＞0.05),电极部位的主效应也均不明显(F=0.20, 0.20;P＞0.05)。

N170的方差分析显示,波幅的性别主效应不明显(F=1.799,P＞0.05),但潜伏期主效应显著(F= 48.356,P＜0.01),男性潜伏期大于女性(159.970± 0.774、152.603±0.724ms;F=42.807,P＜0.01);其波幅和潜伏期的刺激类型主效应均显著(F= 36.782,38.309;P＜0.01),面孔刺激的波幅和潜伏期均大于房子(-8.847±4.453、-6.787±4.730μv, 162.356±13.834、148.352±16.917ms;F=74.243, 75.140;P＜0.01),其中倒立面孔波幅和潜伏期均大于倒立房子(P＜0.01),而且倒立面孔均大于正立面孔(P＜0.05),正立面孔也均大于正立房子(P＜0.01),但倒立房子的波幅和潜伏期与正立房子均无差异(P＞0.05)。N170波幅的半球侧别主效应显著(F=10.054,P＜0.01),右侧半球波幅高于左侧(-7.662±5.027、-6.819±4.145μv;F=10.054,P＜0.01),但潜伏期的主效应不显著(F=0.976,P＞0.05)。N170波幅和潜伏期的电极部位主效应显著(F=17.918,3.134;P＜0.05),N170波幅在P8、PO8两电极无显著性差异,但均显著性高于O2、TP8和P7、PO7电极(P＜0.01);P7、PO7电极之间无显著性差异(P＞0.05),也与O1、O2电极无差异(P＞0.05),但高于TP7电极(P＜0.01)。N170潜伏期在TP8、TP7间无显著性差异,但均长于O1、O2电极(P＜0.05),P7也长于O2电极(P＜0.05)。同时,仅N170潜伏期的性别与刺激类型的交互效应显著(F=8.882,P＜0.01),见表1、2。

表1 面孔识别过程中诱发P100、N170、VPP、N300潜伏期的测定结果(±s)

表1 面孔识别过程中诱发P100、N170、VPP、N300潜伏期的测定结果(±s)

电极ERP波形 倒立面孔 正立面孔 倒立房子 正立房子O1 P100 104.800±11.825 102.670±11.906 93.270±11.776 96.930±10.269 O2 P100 102.700±12.092 103.230±8.533 90.700±14.003 95.930±15.918 PO7 N170 162.233±12.862 160.133±14.586 149.033±12.904 147.367±13.176 PO8 N170 163.900±13.545 160.067±14.631 143.500±14.989 143.167±15.461 FZ VPP 166.500±12.929 163.533±14.200 145.467±47.000 146.167±49.961 FZ N300 231.067±32.964 221.933±35.442 203.567±69.301 203.300±73.530 F3 VPP 165.800±14.894 163.000±15.324 145.900±49.079 143.233±47.396 F3 N300 230.933±37.246 220.667±37.963 200.633±71.621 196.733±74.443 F4 VPP 165.633±13.770 163.367±17.625 146.200±49.448 141.900±48.569 F4 N300 229.833±33.674 222.067±35.703 200.833±70.253 200.000±70.905 CZ VPP 166.567±16.414 161.700±19.754 144.667±51.243 150.633±54.319 CZ N300 224.367±33.604 215.133±36.219 196.333±72.679 198.100±76.152 C3 VPP 171.167±22.749 162.833±31.153 146.700±56.515 148.667±57.353 C3 N300 223.100±48.031 208.200±42.903 194.000±75.377 191.733±75.983 C4 VPP 166.933±23.279 160.533±25.079 145.067±56.854 147.133±55.173 C4 N300 222.500±47.161 213.967±35.983 190.267±73.019 189.600±75.472

VPP波幅方差分析显示,性别主效应不显著(F =0.261,P＞0.05)。刺激类型主效应显著(F= 58.104,P＜0.01),面孔刺激波幅大于房子(3.753± 2.590、1.663±1.866μv;F=154.265,P＜0.01);倒立面孔波幅大于正立面孔(P＜0.01),倒立面孔大于倒立房子(P＜0.01),但倒立房子和正立房子无差异(P＞0.05)。性别与刺激类型交互效应显著(F =12.552,P＜0.01)。电极部位主效应显著(F= 9.136,P＜0.01),FZ与CZ两电极之间无显著性差异(P＞0.05),但两电极均显著高于其他电极(P＜ 0.01),见表2。VPP潜伏期方差分析显示性别主效应显著(F=146.559,P＜0.01),男性潜伏期长于女性(172.440±25.607、140.470±44.029ms,F= 136.721,P＜0.01)。刺激类型主效应显著(F= 15.614,P＜0.01),面孔刺激潜伏期大于房子(164.800±19.565、145.980±51.283ms,F= 42.321,P＜0.01);倒立面孔潜伏期大于倒立房子(P＜0.01),但倒立面孔与正立面孔之间,倒立房子与正立房子间无显著性差异(P＞0.05),见图1。

表2 面孔识别过程中诱发P100、N170、VPP、N300波幅的测定结果(±s)

表2 面孔识别过程中诱发P100、N170、VPP、N300波幅的测定结果(±s)

电极ERP波 倒立面孔 正立面孔 倒立房子 正立房子O1 P100 3.417±1.732 2.993±1.386 2.531±1.605 2.289±1.417 O2 P100 3.833±2.194 3.218±1.798 2.675±2.117 2.524±2.111 PO7 N170 -9.360±4.025 -9.085±4.613 -7.733±4.729 -7.570±5.026 PO8 N170 -11.460±5.607 -10.610±5.510 -9.149±6.161 -8.724±6.464 FZ VPP 5.323±2.540 4.271±2.240 1.933±2.011 2.239±1.732 FZ N300 -3.091±2.520 -2.802±2.426 -1.721±1.582 -1.535±2.144 F3 VPP 3.749±2.170 2.661±1.945 1.373±1.429 1.555±1.404 F3 N300 -2.170±1.955 -2.050±2.122 -1.202±1.421 -1.266±1.705 F4 VPP 4.207±2.051 3.561±1.832 1.625±1.749 1.670±1.348 F4 N300 -2.834±2.413 -2.635±2.454 -1.633±1.334 -1.493±1.770 CZ VPP 5.279±3.103 4.369±2.835 1.898±2.382 2.052±1.993 CZ N300 -3.005±3.161 -3.064±3.286 -2.170±2.220 -1.991±2.621 C3 VPP 3.055±2.761 2.146±2.389 1.285±1.920 1.452±1.982 C3 N300 -2.341±2.498 -2.070±2.630 -2.032±2.000 -1.869±2.480 C4 VPP 3.471±2.697 2.943±2.485 1.427±2.506 1.426±1.610 C4 N300 -2.691±2.686 -2.607±2.745 -1.996±2.300 -1.738±1.991

图1 面孔识别过程中诱发ERP主要相关电位的总平均图和脑电地形

N300的波幅方差分析显示性别主效应显著(F =10.936,P＜0.01),男性波幅低于女性(-1.924± 2.187、-2.520±2.462μv;F=11.250,P＜0.01);刺激类型主效应显著(F=4.595,P＜0.01),面孔刺激波幅高于房子(-2.613±2.585、-1.843±2.008μv;F= 19.072,P＜0.01),倒立面孔和正立面孔波幅均高于倒立房子和正立房子(P＜0.01),但倒立面孔与正立面孔、倒立房子与正立房子之间均无显著性差异(P＞0.05);电极部位主效应显著(F=6.396,P＜0.01),FZ与CZ电极之间的波幅也无显著性差异(P＞0.05),但均与F3电极之间有显著性差异(P＜ 0.05)。N300潜伏期方差分析结果显示,性别主效应显著(F=64.172,P＜0.01),男性潜伏期大于女性(229.852±48.656、203.995±38.064ms;F= 61.759,P＜0.01);刺激类型主效应显著(F= 12.032,P＜0.01),倒立面孔和正立面孔刺激均大于倒立房子和正立房子(P＜0.01),倒立面孔刺激时大于正立面孔(P＜0.05),但倒立房子与正立房子之间无显著性差异(P＞0.05);电极部位的主效应不显著(F=1.607,P＞0.05),性别与刺激类型之间的交互效应显著(F=3.223,P＜0.05),见图1。

3 讨 论

本研究ERP研究结果显示,当给予正常人面孔、房子等视觉刺激后在80～130ms可在其两侧大脑枕叶同时产生P100电位,并受性别和目标刺激物的性质影响,但与目标刺激物正立或倒立视空间方位没有关系,这反映了大脑皮层对于目标刺激物的早期感知过程[9]。到130～200ms时则同时在两侧大脑颞枕部以PO8/P8、PO7/P7电极区域为主,产生了具有明显右侧大脑优势表现,并与目标面孔的结构特征及其视空间方位密切相关的N170成分;同时,还在以FZ电极区域为主的大脑额中央区产生与性别明显相关的VPP电位,它对于人的面孔及其空间方向的识别同样具有很高的敏感性和特异性,构成了大脑对于面孔目标结构识别编码的中期过程。在此基础上,于200～400ms时进一步在以CZ、FZ电极为中心的额中央皮层区引发与性别、刺激目标的性质等内在特征有关的N300成分,它不受刺激目标的空间方向等外部因素变化的影响,完成对目标内在固有特征信息的分析加工,使刺激目标在人脑形成全面、系统的印迹,为最终实现大脑的记忆和应答功能奠定了基础[10]。本项研究结果显示正常男性两侧大脑皮层枕叶视觉中枢对于各种刺激目标物像的感知速度虽然没有女性快速和敏锐,但所引起的以P100波幅为代表的脑电生理反应强度却明显高于女性。同时,正常人在受到人的面孔和房子这两种不同性质的视觉目标刺激时,在其两侧枕叶皮层产生P100的时间和强度明显不同。当受到面孔这种需要形成五官主要差异特征印迹的目标刺激,其产生P100的潜伏期要明显长于房子这种较简单刺激目标,引发P100波幅也明显高于房子,但无论是P100的潜伏期还是波幅均与面孔和房子这些不同复杂程度目标是正立还是倒立放置的视空间方向外部特征没有关系,提示在面孔刺激的早期感知阶段没有出现面孔翻转效应。同时,相同刺激目标在两侧半球枕叶引发P100的潜伏期和波幅相同,没有明显的半球优势表现,并且性别、刺激目标类型、大脑半球侧别、电极部位之间没有明显的交互作用效应,说明P100反映了视觉目标在大脑视觉中枢的早期感知过程,受性别和刺激目标的类型影响,但无半球优势侧表现和面孔的翻转效应。与其它的研究报道相同[11]。

本项研究表明,在给予面孔和房子等不同性质的刺激目标诱发了P100电位后,随继在其双侧颞枕部诱发出具有明显右侧半球优势表现的N170负成分。这种N170成分具有男性的潜伏期明显长于女性,但产生的波幅在两性间没有差异,提示男性虽然对于目标结构识别加工的能力与女性没有差异,但速度要比女性慢。同时,不同目标刺激产生的N170具有不同的特征[12]。在本项研究中,不但面孔目标刺激产生N170的波幅和潜伏期均明显大于房子,而且倒立面孔刺激时产生的波幅和潜伏期也均大于正立面孔,但是正立房子与倒立房子之间则没有区别,说明大脑中枢进行的中期N170面孔结构识别加工阶段具有特异性的面孔翻转效应。这与其它的研究报道相同[13]。同时,在这一过程中可见额中央区电极处产生与N170极性相反的VPP电位,其潜伏期类似于N170。有报导VPP与N170具有相同的大脑发生源和均与面孔及其空间方向有明显的联系[14]。本项研究也证实在倒立面孔刺激时的VPP波幅最大,而且正立面孔刺激时的波幅明显高于正立房子刺激,但正立房子与倒立房子刺激产生的VPP波幅没有差异,且男性的VPP波幅高于女性。因此,N170和VPP成分均与面孔固有结构特征及其视空间方位具有特定的联系,是反映大脑进行中期面孔结构识别加工的重要指标,这对于早期认知功能障碍患者的评价具有重要作用[15]。

当大脑完成了接受面孔刺激信号的N170加工阶段以后,可进一步在额中央脑区记录到N300负成分。有报道该成分在非面孔刺激时不能诱发出或产生的很小[16]。然而,我们的结果显示仅有两例在房子刺激时没有诱发出N300成分,同时具有面孔刺激引起的N300波幅明显高于房子,但倒立面孔产生的波幅与正立面孔以及倒立房子与正立房子之间并没有明显的区别,N300潜伏期同样具有面孔刺激时明显大于房子,但在倒立面孔刺激时的潜伏期大于正立面孔,而倒立房子与正立房子之间没有明显的区别的特点,这表明大脑在此阶段对于面孔内含信息的分析加工要比房子激活的皮层中枢强度更高,但面孔视空间位置变化主要引起N300潜伏期的延长而不引起中枢皮层激活强度的升高。因此, N300并不是仅反映大脑对于面孔目标刺激物进行后期分析加工的指标。

因此,人的面孔识别作为大脑皮层认知功能的重要组成部分和基础,无论是其早期的面孔视觉感知过程,还是中期目标面孔结构的识别加工以及晚期对于目标面孔的分析编码的机制均需要进行更深入的研究。

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Research on Characteristics of ERP in Normal Adult Face Recognition

KONG Xianghui,ZHANG Pingshu,WU Xiaoying,et al
Department of Neurology,Affiliated Kailuan General Hospital of North China University of Science and Technology,Tangshan 063000,China

Objective:To explore a basis for evaluating early cognitive dysfunction by studying the brain mechanism in face recognition revealed by Event-related Potential(ERP).Methods:ERP experiments on face recognition were carried out in 30 normal volunteers.The E-Prime software was used to make a program editor of stimulating objects,such as faces and houses.Using a 64 Channel Neuroscan EEG Signal Acquisition System to collect EEG signals and the Curry7 software to carry out an offline data analysis.Finally,all data were analysised by the SPSS17.0 statistical software.Results:P100 amplitudes showed significant main effects of genders(F=9.529,P＜0.01)and stimulus types(F=7.365,P＜0.01);P100 latency showed significant main effects of genders(F=6.967,P＜0.01)and stimulus types(F=13.270,P＜0.01).N170 latency showed significant main effects of genders(F=48.356,P＜0.01);Besides,N170 amplitudes and latency showed significant main effects of stimulus types(F=36.782,38.309,P＜0.01). Among them,the amplitudes and latency stimulated by the face were larger than those stimulated by the house(F= 74.243,75.140;P＜0.01);the amplitudes and latency stimulated by the inverted face were larger than those stimulated by the upright face(P＜0.05);but there were no differences in the amplitudes and latency stimulated by the inverted house and the upright house(P=0.054/0.414).VPP amplitudes showed significant main effects of stimulus types(F=58.104,P＜0.01)and electrode sites(F=9.136,P＜0.01).N300 amplitudes showed significant main effects of genders(F=10.936,P＜0.01),stimulus types(F=4.595,P＜0.01)and electrode sites(F=6.396,P＜0.01).Conclusion:After the volunteers is given face visual stimulus,occipital lobe on both sides of the brain simultaneously generates P100 electric potential with the same intensity and without faces flip effects.Then cerebral tempo-ral occipital regions on both sides of the brain simultaneously generate special N170 with obvious advantages of the right side of the brain and faces flip effects.Finnaly,frontal region generates N300 ingredients reflecting the later analysis and processing of faces.

Face recognition;ERP;P100 electric potential;N170 electric potential;VPP electric potential;N300 electric potential

R395.9

A

1005-1252(2017)01-0021-06

10.13342/j.cnki.cjhp.2017.01.006

2016-10-12)

http://www.cjhp.com.cn/

河北省医学适用技术跟踪项目(编号:G2015075)