成功完成认知重评任务增强低Theta脑电活动

赵敏捷， 李颖洁

(上海大学通信与信息工程学院， 上海200444)

情绪调控是人类适应环境的一种重要的认知功能. 情绪调控包含多种策略， 其中认知重评(cognitive reappraisal)是一种常用策略， 意在改变对情绪刺激的理解来降低情绪刺激对个人带来的反应[1]. 已有研究表明， 认知重评可以有效地降低负性情绪体验和生理反应[2-3].

然而， 在实际中并不是每一次策略的执行都会成功. 例如， Wager 等[4]指出执行认知重评策略使情绪有所改善， 则认为任务执行成功， 否则就是失败的， 并进一步使用功能磁共振成像检测到前额叶皮质的活动与认知重评成功相关， 指出重评成功与伏隔核(nucleus accumbens)的激活呈正相关， 与腹侧杏仁核的激活呈负相关[5]. 但是， 仅有少量研究涉及能否成功执行认知重评， 关于情绪调控任务成功与否的生理机制还不明晰， 而成功与否的生理机制对情绪调控策略的引导具有非常重要的意义， 因此有必要深入探究. 截至目前， 多数研究关注的是认知重评任务与头皮脑电(electroencephalogram， EEG)、事件相关电位(event-related potentials， ERP)或与大脑区域之间的关系等. 在已有的EEG 研究中， 脑电Theta 活动与认知重评的关联引起了广泛关注. 例如， 情绪调控引发Theta 频段活动的变化， 对负性刺激进行认知重评任务， 无论是降低还是增强负性情绪， 都会增强前额Fz电极处Theta频段的活动[6];对恐惧图片进行认知重评任务时， 会降低中央顶区周围电极处Theta频段的活动[7]; 而采用分心策略和认知重评策略皆会降低枕区Theta频段的早期活动[8]; 如果仅仅采用分心策略进行情绪调控， 无论是对正性刺激还是负性刺激， 都会降低顶区Theta 频段内事件相关同步信号(event-related synchronization， ERS)[9]. 可见， Theta活动对认知重评任务是敏感的， 但对于成功重评与未成功重评时Theta活动是否有差异还缺乏相关研究.

此外， 在相关的脑功能影像研究中还发现了额叶偏侧化现象. 例如， 已有研究指出认知重评激活了外侧前额皮层(lateral prefrontal cortex， LPFC)， 尤其是在左侧前额[10-13]. 对有关病人的研究发现， 抑郁症患者在进行认知重评任务时明显感觉有困难， 相对于正常人， 患者更多地激活了右侧杏仁核， 这很有可能与抑郁症患者的神经回路紊乱有关[14]. 进一步研究发现， 抑郁症和躁郁症患者在进行情绪调控时， 其抑郁程度和左侧前额皮层(left prefrontal cortex)的激活呈负相关[10，15]. 另有研究通过一种重评创造力检测(reappraisal inventiveness test)来判断一个人的情绪调控能力[16]， 发现与重评创造力低的个体相比， 重评创造力高的个体的左侧前额皮层激活程度更高， 前额偏侧化更明显[17]. 但是， 这些研究都未关注重评成功与否对额叶活动的影响.

综上， 在有关情绪调控的研究中， 虽然已经明确发现有人成功， 有人不能完成调控任务， 但还缺少对能否成功完成认知重评任务的深入研究. 据此， 本工作期望通过对Theta 频段的脑电信号的分析， 研究认知重评任务执行的差异在电生理上的反映. 通过对行为学数据的分析， 将完成认知重评任务的被试分为成功组和失败组. 通过进一步分析比较Theta 频段在成功组与失败组之间的差异， 探究认知重评任务成功与否与脑活动之间的联系. 具体地， 本工作将探究以下问题: ①通过认知重评， 成功组的前额Theta 活动比失败组更高还是更低？②成功组的前额偏侧化现象是否比失败组更明显？对这2 个问题的回答将为认知重评成功与否提出一个有参考价值的生理指标.

1 材料和方法

1.1 受试者

本实验共从上海大学招募 29 名受试者， 其中男性 16 名， 女性 13 名， 平均年龄(22.96±0.73)岁，平均受教育年限为(16.79±0.56)年，均为右利手，视力正常或矫正视力正常. 在实验前，所有受试者都经过了焦虑自评量表(self-rating anxiety scale， SAS)、抑郁自评量表(self-rating depression scale， SDS)的评定， SAS评分为 35.52±5.00， SDS评分为39.48±7.94， 评分均在正常范围内(SAS 正常范围≤50; SDS正常范围≤53)， 表明无精神疾病. 所有受试者在实验前均签署了知情同意书， 实验结束后均给予受试者适当的报酬. 实验符合赫尔辛基宣言.

1.2 材 料

情绪刺激图片来源于中国情绪图片系统(Chinese affective picture system， CAPS)， 根据效价和唤醒度的分数选择中性和负性图片， 其中效价评分分为9 个等级(1—负性， 5—中性， 9—正性)， 唤醒度评分分为 9 个等级(1—放松， 9—紧张). 从 CAPS 中选择 30 张中性图片(效价M = 5.10， SD=0.38; 唤醒度 M = 2.55， SD=0.52)， 60 张负性图片(效价 M = 3.14，SD=0.47; 唤醒度 M =5.75， SD=0.81)， 其中负性图片分为两组， 每组各 30 张， 两组图片的效价和唤醒度大致相等(P ＞0.1).

实验程序由美国PST(Psychology Software Tools)公司的E-prime2 软件编写， 刺激图片以随机顺序出现在显示器的中央. 受试者与屏幕的距离约为80 cm， 视角约为5°. 受试者在一个封闭无声音干扰的房间内进行所有实验.

1.3 实验流程

参考Thiruchselvam 等[18]的情绪调控实验， 本实验共有3 个任务: 观看中性图片、观看负性图片和认知重评. 每个任务分3组进行， 每组有30 个试次， 包含10 个中性、10 个负性和10 个重评， 组间有1 min 的休息时间. 每个试次的流程如图1 所示， 为了尽可能减少眼动带来的干扰， 在每个试次开始前会先在屏幕中央呈现一个符号“+”2 000 ms， 以固定被试的视线; 然后， 屏幕中央呈现提示语2 000 ms， 以告知被试进行何种任务; 之后刺激图片出现5 000 ms.在任务结束后， 被试需对之前的任务进行效价打分和唤醒度打分， 打分等级从1～9 共9 个. 被试打分结束后自动进入下一个任务.

图1 实验流程示意图Fig.1 Schematic diagram of the design of a trial

在观看中性图片和观看负性图片任务中， 会分别给被试呈现中性刺激和负性刺激图片， 被试无需完成任何任务; 在认知重评任务中， 会给被试呈现不同的负性图片， 要求被试在看到负性图片后使用认知重评策略进行情绪调控， 来降低刺激图片带来的负性感受. 当图片消失后，要求被试根据自身感受对图片进行效价和唤醒度的评分.

在实验开始前， 实验人员会向被试解释什么是“认知重评”以及如何进行“认知重评”任务， 比如一张刺激图片为一个车祸现场， 则会让被试想象这是一个电影场景. 在正式实验前，被试需要进行一次预实验， 预实验包含2 个观看中性图片任务、2个观看负性图片任务和2个认知重评任务. 预实验和正式实验中的任务都是按照随机顺序出现的.

1.4 被试分组

已有研究表明， 相较于观看负性图片， 认知重评可降低唤醒度评分并提高效价评分[18-19]，以此为标准， 根据被试的行为学数据， 本实验将29 名被试分为成功完成认知重评任务组(简称成功组)和失败组. 实验完成后目视分析每一名被试的脑电， 剔除了3 个伪迹过大的脑电数据. 然后， 对剩下的26 名被试数据进行分组， 将观看负性图片的行为学数据和认知重评任务的行为学数据进行独立样本T检验， 如果被试认知重评任务的唤醒度显著低于观看负性图片(P ＜0.05)， 并且效价评分显著高于观看负性图片(P ＜0.05)， 则将被试纳入成功组，否则纳入失败组. 根据上述分组规则进行分组后， 成功组包含13 名被试(男/女=7/6， 平均年龄(22.84±0.80)岁， 受教育年限(16.69±0.48)年)， 失败组包含 13 名被试(男/女=7/6， 平均年龄(23.00±0.71)岁， 受教育年限(16.77±0.60)年). 经独立样本 T 检验， 在成功组和失败组间， 年龄、受教育年限、SAS 评分、SDS 评分中未发现显著差异(P ＞0.05).

1.5 数据采集与预处理

脑电采集设备为Neuroscan 公司的37 导EEG 检测仪. 参考电极位于右侧乳突， AFz 作为接地电极， 另外记录2 个垂直眼电和2 个水平眼电. 另因EEG 脑电帽T6 处电极损坏， 所有样本中该电极处数据被剔除， 对该电极处信号不予分析. 采样频率为1 000 Hz， 电极阻抗均小于5 kΩ， 采集时使用50 Hz陷波器滤波滤除工频干扰.

整个预处理过程均使用EEGLab(version 12.0.2.6b)完成. ①变换参考: 以左右乳突的均值作为参考电极的值， 对所有导联数据进行重参考. ②低通滤波至13 Hz. ③去除眼电伪迹:使用独立主成分分析(independent component analysis， ICA)方法去除眼电伪迹[20]. ④数据分段: 根据刺激类型对数据进行分段提取， 每一段选择刺激出现前500 ms 至刺激后5 000 ms，其中存在明显伪迹的分段数据(＞±100 μV)将被去除. 根据任务的不同， 将分段数据分为3 类:观看中性、观看负性和认知重评.

1.6 事件相关谱扰动分析

事件相关谱扰动(event-related spectral perturbations， ERSP)是一种评价脑电时频特性的方法， 用于分析某一频带范围内脑电平均功率的变化情况. ERSP 可以由短时傅里叶变换(short time Fourier transform， SFFT)[21]、小波变换(wavelet transform， WT)、多窗谱分析(multi-taper spectrum)[22]和希尔伯特变换(Hilbert transform)[20]计算得到， 这几种频谱分析方法的结果较为相似， 差异不大[23-24]. 基于Morlet 小波基的小波变换是一种成熟的分析技术， 在EEG 研究中被广泛应用[25]. 本工作采用Morlet 小波变换求取ERSP 的值.

ERSP 是将多个试次的指定频段的功率谱叠加平均而成. 若共有n 个试次， 则ERSP 可表示为

式中: Fk(f，t)表示试次 k 在频率 f 处和时间 t 时的小波值. 之后， 对 ERSP 进行基线校正， 将ERSP 除以基线处的均值， 即

式中: μB(f)是ERSP 在基线范围内的均值， 取刺激出现前200 ms 至刺激出现这段时间的ERSP 数据作为基线. 为了使ERSP 值的分布更趋近正态分布[26]， 对ERSP 进行对数变换，

本工作使用Matlab 中Complex Morlet 小波基进行小波变换， 选择中心频率参数Fc=5.5 Hz， 带宽参数Fb= 0.2， 设置步进频率为0.1 Hz. 主要分析了前额低Theta 频段范围(4.0～6.5 Hz)内的 ERSP， 并将前额分为左、右两个半球(左: F7， FT7; 右: F8， FT8). 根据小波变换得到的时频图， 关注变化显著的时频段(4.0～6.5 Hz)， 对ERSP 进行分窗处理， 分别为刺激开始后的 100～300， 300～1 200， 1 200～2 700 和 2 700～4 500 ms 共 4 个时间窗.

1.7 统计分析

为了检测情绪调控对行为学数据的影响， 采用重复测量方差分别对被试的效价和唤醒度评分进行分析， 其中组内因素为“任务”(3 个水平: 观看中性/观看负性/认知重评); 组间因素(成功组/失败组). 同时， 使用重复测量方差对ERSP 进行分析， 其中组内因素有“半球”(2个水平: 左半球/右半球)， “任务”(3 个水平: 观看中性/观看负性/认知重评); 组间因素(成功组/失败组).

如果上述3 个因素之间存在交互效应， 则进行简单效应分析. 对于所有分析结果的描述，当P ＜0.05 时， 则判定存在主效应或交互效应. 在重复测量方差分析中， 所有主效应和交互效应的P 值都会经过Greenhouse-Geisser 矫正， 并且简单效应分析的P 值会经过Bonferroni矫正.

2 结 果

2.1 行为学结果

在唤醒度评分的重复测量分析中， 组内因素为“任务”(3 个水平: 观看中性/观看负性/认知重评)， 组间因素(成功组/失败组). 通过分析发现显著的任务主效应(F(2，48)=95.490， P ＜0.001)， 独立样本T 检验发现， 观看负性任务的唤醒度远大于观看中性任务(成功组P ＜0.001，失败组P ＜ 0.001). 统计发现任务条件与组间有交互效应(F(2，48)=4.304， P ＜ 0.05)， 进一步分析发现， 在成功组中， 认知重评任务的唤醒度显著小于观看负性任务(P = 0.001); 但在失败组中， 认知重评任务与观看负性任务的唤醒度无显著差异(P =0.399). 另外， 认知重评任务中存在组间效应， 成功组的唤醒度小于失败组(P ＜0.05)， 但是观看中性和观看负性任务不存在组间效应.

在效价评分的重复测量分析中， 发现显著的任务主效应(F(2，48)=91.455， P ＜ 0.001)，独立样本T 检验发现， 观看负性任务的效价远小于观看中性任务(成功组P ＜ 0.001， 失败组P ＜ 0.001). 统计发现任务与组间有交互效应(F(2，48)=10.309， P ＜ 0.001)， 进一步分析发现， 在失败组中， 认知重评任务的效价显著小于观看中性任务(P ＜0.001); 但在成功组中， 认知重评任务与观看中性任务的效价无显著差异(P = 0.076). 另外， 认知重评任务中存在组间效应， 成功组的效价显著大于失败组(P =0.001)， 但是观看中性和观看负性任务则不存在组间效应.

2.2 脑电地形图

本工作分别计算了成功组和失败组在低Theta(4.0～6.5 Hz)频段范围内， 观看负性、观看中性和认知重评任务的脑电地形分布， 将从刺激图片出现至消失的5 s 范围内的脑电数据进行平均， 并画出了相应的地形图. 图2 显示了观看负性任务与观看中性任务及认知重评任务的差异的地形图. 由图可以看出， 在低Theta(4.0～6.5 Hz)范围内， 成功组和失败组的不同任务之间均在前额区域内存在差异. 后续的分析将主要围绕前额叶低Theta 频段进行展开.

图2 成功组负性-中性、负性-重评和失败组负性-中性、负性-重评的低Theta 地形图Fig.2 Topography of the contrasts negative-neutral in success group，negative-reappraisal in success group， negative-neutral in failure group and negative-reappraisal in failure group for the low Theta

2.3 ERSP 结果

图3 显示了成功组在认知重评任务下的时频特性. 图4 显示了成功组在认知重评和观看中性两种任务下的时频特性差异. 可以发现， 在认知重评任务下， 低Theta 频段(4.0～6.5 Hz)有显著变化. 在认知重评与观看中性的时频特性差异中， 也发现在低Theta 频段有差异. 另外， 通过比较观看负性任务与其他任务之间的时频特性差异， 根据对时频图的分析， 将不同任务间低Theta 频段内幅值变化较为显著的时间段进行了划分， 共分4 个时间窗， 分别为100～300， 300～1 200， 1 200～2 700 和 2 700～4 500 ms. 随后， 对不同时间窗内的 ERSP 值进行重复测量方差检验， 图5 分别显示了在左、右额区两组不同任务下的ERSP.

图3 成功组认知重评左前额时频图Fig.3 Time-frequency analyses of the left frontal region by the success group in congnitive reappraisal task

图4 成功组重评-中性左前额时频图Fig.4 Time-frequency analyses of the left frontal region by the success group in reappraisal-neutral

图5 左、右两侧额区两组不同任务下低Theta 频段的ERSPFig.5 ERSP of low Theta in different task with success and failure group in left and right frontal region

统计分析表明:

(1) 在 300～1 200 ms 内发现显著交互效应(任务*组间: F(2，48)=3.581， P =0.036)， 进一步进行简单效应分析得到， 在认知重评任务中， 成功组与失败组之间存在组间差异， 成功组诱发的 ERSP 高于失败组(F(1，24)=5.455， P =0.028).

(2) 在 300～1 200 ms 内发现显著交互效应(任务*半球: F(2，48)=3.887， P =0.027)， 进一步进行简单效应分析得到， 在认知重评任务中， 左右半球存在统计差异， 左半球诱发的ERSP高于右半球(F(1，24)=4.434， P =0.046).

(3)在1 200～2 700 ms 内发现半球主效应(F(1，24)=6.524，P =0.017)，同时还发现了显著交互效应(半球*组间: F(1，24)=4.286， P = 0.049). 进一步进行简单效应分析得到， 在成功组内左右半球存在显著统计差异， 左半球诱发的ERSP高于右半球(F(1，12)=14.596， P =0.002)，但右半球诱发的ERSP 并无显著差异. 另外， 在左半球内存在显著组间差异， 成功组诱发的ERSP 显著高于失败组(F(1，24)=9.792， P =0.005)(见图 6).

图 6 不同时间窗内的低Theta 频段ERSP 均值Fig.6 Average value of ERSP of low Theta in different time window

此外， 为了进一步研究偏侧化问题， 本工作针对右侧和左侧前额分别进行了统计分析. 结果发现:

(1) 对于右侧前额， 300～1 200 ms 内发现组间*任务的交互效应(F(2，48)=5.697， P =0.006). 进一步进行简单效应分析表明， 成功组观看负性时的ERSP 显著大于观看中性的ERSP(F(2，24)=4.980， P =0.016)， 而观看任务与认知重评任务无统计差异.

(2) 对于右侧前额， 1 200～2 700 ms 内也发现组间*任务的交互效应(F(2，48)=3.529，P =0.037). 进一步进行简单效应分析仅发现， 失败组观看负性有小于观看中性的趋势(F(2，48)=3.359， P =0.052).

(3) 左侧前额没有发现统计效应.

3 讨 论

本工作的目的在于通过分析认知重评任务成功组和失败组脑电Theta 活动的ERSP， 探究这两个不同组完成重评任务的电生理反应， 发现相对于失败组而言， 成功组前额Theta 频段活动更为强烈， 且成功组的前额偏侧化较失败组更为显著.

有综述指出， 额叶Theta 活动涉及大脑多种认知功能[27]， 进一步研究表明， 前额叶Theta活动与情绪刺激显著相关[28-32]. 本工作研究发现， 成功组在任务早期阶段(300～1 200 ms)观看负性图片时， 右前额的ERSP显著大于观看中性图片的ERSP， 而失败组没有发现这样的现象. 因此推测成功组之所以成功与其对情绪刺激的高敏感度有关， 表现在不同情绪对前额低Theta 活动的调制作用上. 进一步地， 有很多研究表明Theta 活动在情绪调控中也有特异性表现. 究其原因， 情绪调控包含了多种认知过程， 如情绪处理、注意力分配等， 这些都会导致前额Theta 活动发生变化[6]. 具体到认知重评策略， 被证明可以有效激活前额皮层(prefrontal cortex， PFC)[33-34]. 相关的动物研究发现， 在恐惧情况下， 老鼠前额Theta 活动是海马体、杏仁核与PFC之间相互作用而产生的电信号[32-35]. 而人类面对负性刺激进行认知重评时， PFC会对杏仁核和丘脑产生抑制作用[4，33，36]， 因此可以推断前额低Theta 频段与认知重评是相关的. 例如， 脑电研究发现使用认知重评， 无论是降低负性情绪还是增强负性情绪， 都会增强前额的低Theta 活动[6]. 本工作研究发现， 与失败组相比， 成功组在进行认知重评任务早期阶段(300～1 200 ms)时的前额低Theta 活动显著增强， 并且在中期(1 200～2 700 ms)时这种差异集中出现在左前额， 说明成功组成功诱发了更强的低Theta 活动， 而失败组则没有. 这一结果再次证明了前额低Theta 活动与认知重评相关性很高; 同时也是一个新的发现， 即与调节失败者相比， 成功调节的人具有更强的Theta 活动， 表明其PFC 对杏仁核和丘脑的抑制作用更强.

另外发现在情绪调控早期， 情绪任务和半球之间存在交互效应， 在进行认知重评任务时，左侧额区低Theta 活动较右侧更为活跃. 在情绪调控中期， 在成功组中发现了显著的偏侧化现象， 左侧额区活动较右侧显著， 但是失败组并没有发现这样的结果. 已有研究表明， 相比于其他情绪调控策略(如情景分离、分心策略、表达抑制)， 认知重评更显著地激活了左侧的腹外侧前额皮质(ventrolateral prefrontal cortex， VLPFC)[37]. 例如， 与抑郁症患者相比， 正常人在进行认知重评时左侧前额皮层更显著激活[10]. 另外一项针对正常人的情绪调控能力的研究也显示， 情绪调控能力高的人左侧额区活动更为强烈[17]. 本工作得到的研究结果一方面为文献[37]的结论提供了新的电生理证据， 同时也证明左前额Theta 活动是潜在的情绪调控能力的客观指标.

4 结束语

本工作的研究结果显示了成功组和失败组在低Theta 频段内的差异，成功组前额的Theta活动与失败组有显著差异， 成功组较失败组前额低Theta 频段的活动更为活跃， 能量更高; 同时成功组偏侧化现象更为明显， 这两个特点未来有望作为判定个体情绪调节能力的一种指标，即能诱发出越强的前额低Theta 活动的个体， 越有可能成功地完成情绪调节.