空间注意在视听觉信息处理中的调控机制研究△

林萌 王松建 李春林 张娟 王宁宇 屈晶晶 张旭

人类的大脑时刻在接受外界的各种信息，在日常生活中，感官暴露在大量且嘈杂的外部信息中，获得的信息约有94%来源于视觉、听觉两种感官通道[1]，而视觉和听觉通道的信息往往是冗余的(可能是互补的)[2, 3]。视觉和听觉作为人类接收外界信息最重要的两个渠道，在认知过程中发挥了重要作用。视听交互作用并不总是发生，大脑需要调控和整合来自视觉和听觉的信息，从而对意识和行为进行判断[4]。注意是人脑对客观事物的指向和集中，注意功能决定了人脑对信息的选择，选择可以基于人的主观意图，自上而下地进行，也可以通过特定的刺激在没有自愿控制的情况下驱动注意力的转移，以自下而上的方式进行。在某些情况下，同时发生的不同形式的刺激可以被预先注意，并自动地以自下而上的方式产生多感觉整合;不同注意条件下人脑信息处理的机理不同，空间信息又是影响视听信息整合的主要因素。选择性注意是指个体在同时呈现的多种外界刺激中选择一种而忽略其他的过程,大脑可以接受来自各个感觉器官的不同刺激，然后分配注意力;注意的分配决定了大脑从接受外界刺激到处理有用信息的速度和效率[5]。

相关研究表明，大脑前额叶皮层在注意调控上起着重要的作用[6],后顶叶皮层也在调控注意力转换过程中起到了一定作用。通过功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging, fMRI)研究视觉和听觉间注意力转移时的大脑活动，发现前额叶皮层和后顶叶皮层在注意转移过程中活动增强，在保持注意力的状态下活动减弱；在保持某一感官注意力的时候，相应感官皮层区的活动也增强[7]。可以说，大脑对选择性注意的调控是一个整体的整合过程。

以往的研究通常集中于注意调控的双通道视听整合的脑机制，但对于注意在单双通道下分别对视听觉信息调控的脑机制尚不清楚。本研究利用任务态fMRI技术，通过对受试者进行视听觉选择性空间注意实验任务，比较注意力在视、听觉空间信息分配处理过程中，单双通道分配外界信息时的脑活动差异。

1 资料与方法

1.1研究对象 研究对象为25例健康的右利手男性，年龄21～26岁,视力(或矫正视力)≥1.0，纯音听阈在正常范围(双耳0.25、0.5、1、2和4 kHz气导阈值≤20 dB HL)，鼓室导抗图均为A型，声反射阈均可引出。该研究由北京大学健康科学中心伦理委员会批准，每位受试者均签订了书面知情同意书。

1.2实验仪器和材料 在计算机上生成视觉和听觉刺激，并在MRI扫描期间通过定制的、核磁兼容的视听系统(以声音的舒适阈)呈现给受试者。为了衰减伴随fMRI扫描的声学噪声，使用隔音耳罩，听觉刺激通过导气管呈现给受试者。采用Presentation 22.0软件(http://www.neurobs.com/)呈现听觉和视觉刺激，视听刺激包括作为视觉部分的十字标志和作为听觉部分的白噪声(20～20 000 Hz)，通过耳间强度差(interaural level difference，ILD)用于产生侧向听觉感知。

1.3任务态fMRI检查方法 基于Posner范式研究注意力调节视听觉空间信息处理的过程。在这种范式中，中央菱形左侧或右侧呈现高亮作为提示，指导受试者的注意力。高亮消失后，在左右任一侧方框内随机呈现目标刺激，目标刺激出现在先前线索化的空间位置为有效线索(valid cues)，目标刺激出现在先前没有线索化的空间位置为无效线索(invalid cues)。为了保证受试者将注意指向线索化的空间位置，有效线索任务与无效线索任务的比例为4∶1。通常，对出现在提示位置上的目标刺激的响应要快于对未提示位置上的目标刺激的响应，这被称为提示效果。

利用同时呈现的视觉或听觉刺激构成四组任务(图1a)：视觉注意任务(Va)、听觉注意任务(Av)、单独视觉任务(V)和单独听觉任务(A)，其中，Va和Av为双通道刺激，要求受试者注意力集中在视觉或听觉通道，忽略另一个通道的干扰；V和A为单通道刺激。在所有任务中，要求受试者注意目标刺激，忽略与任务无关的刺激(图1b)，视觉空间提示用于将受试者的注意力引向两个可能的目标位置(左侧或右侧)之一；提示与目标任务发生之间的时间间隔为300或1 500 ms，目标任务可以是视觉刺激或听觉刺激。视觉目标任务以相同的百分比显示在屏幕的左侧或右侧，并且听觉刺激(即白噪声)来自耳机的一侧；视觉空间提示的显示时间为100 ms，中央菱形的一半以箭头指示，指向左或向右，以进行空间注意任务。

采用事件相关fMRI设计，正式检查开始之前向受试者解释相关内容。每例受试者需完成4组任务，每个实验条件包括30个事件。为了引导受试者专注于特定的目标刺激，屏幕中心显示任务类型(Va、Av、V或A)。要求受试者在任务期间按下右(或左)反应键对目标通道的位置进行判断，并记录错误率。控制任务(图1c)用作fMRI分析的基线，在控制任务期间，内圆的左半部或右半部在计算机屏幕上的机会均等，要求受试者按下对应方向的反应按键。控制任务通过提示检测和目标检测排除大脑区域的激活，并消除按键对大脑激活的影响。将反应时间(reaction time, RT)定义为从目标事件开始到受试者按下反应键使用的时间，有效试验的RT用于分析。

图1 任务态fMRI流程示意图 a.4种任务类型的目标通道及干扰；b.以Va任务为例的实验流程；c.控制任务的实验流程

MRI扫描参数：使用带有32通道头部线圈的3T Siemens Trio MRI扫描仪对任务态激活进行成像。实验采用功能梯度平面回波成像(echo planar imaging , EPI)序列采集32个轴向切片(像素大小为1.8×1.8×3.9 mm3，重复时间为4 000 ms，回波时间为50 ms，翻转角为90°，矩阵大小为128×128)。每例受试者获得124个功能图像。

1.4统计学方法 采用SPSS(SPSS 22.0 for Windows, IBM, New York, USA)中的重复测量方差分析(Tukey检验)对每组任务的RT进行统计分析，以P<0.05为差异有统计学意义。

对于功能图像的每个任务，舍弃前4个信号不稳定的图像以保证数据质量。数据预处理和统计分析均使用基于MATLAB(The MathWorks)环境的SPM12(http://www.fil.ion.ucl HYPERLINK"http://www.fil.ion.ucl".ac.uk/spm/software/spm12/)工具箱进行。预处理内容包括时间层矫正、头动校正、标准脑模板配准、空间标准化和滤波平滑，对预处理之后的结果进行一般线性模型(general linear model，GLM)分析，得到每例受试者的统计参数图。

二阶分析(组分析)使用双因素方差分析(two-way ANOVA)估计注意力在单双通道视听觉空间信息分配处理时脑活动间的差异，将单、双通道和视觉、听觉刺激分别作为两个因素，对25例对象进行统计分析。在体素水平上，显著性的阈值选为P<0.001[8]。根据差异激活的结果，选取半径为8 mm的感兴趣区(region of interest，ROI)。

为了进一步评估4种任务之间脑区信号变化的差异，使用AAL90脑模板，获得个体水平统计分析产生的ROI内信号变化平均值，对每个ROI中得到的25例对象的信号变化值使用SPSS22.0进行重复测量方差分析，采用Tukey检验对信号变化值进行统计分析，P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1受试者视、听觉任务单双通道反应时间比较 剔除每例受试者的无效事件和遗漏事件(快于100 ms或慢于1 000 ms的单个数据被排除在分析之外[9])，对受试者在每个任务的RT进行分析(图2、表1)，单双通道与视听觉交互作用具有显著性差异(P=0.024)，单、双通道刺激因素对于RT没有显著影响，视、听觉因素对RT有显著性影响(P=4.9×10-5)。进一步进行事后多重比较，不同任务间的统计结果如表2所示，单双通道视、听觉任务的RT差异均无统计学意义。无论单双通道，视觉任务的RT均显著小于听觉任务(V vs A:P=7.6×10-5，Va vs Av:P=1.1×10-3)。

图2 视、听觉和刺激单双通道的反应时间(误差栏为s) 单、双通道的视听觉任务均存在显著性差异，*P<0.05，**P<0.001

表1 视、听觉刺激单双通道RT的重复测量方差分析结果

2.2脑区激活结果

2.2.1单双通道与视、听觉刺激的交互作用 单双通道与视、听觉刺激的交互作用分析表明，作用脑区位于左侧顶下小叶(inferior parietal lobe, IPL)(表2、图3)，其信号变化在单双通道的听觉刺激(Av vs A)中存在显著差异(P<0.01)，视、听觉刺激在单双通道(Va vs Av、V vs A)间有显著差异(P<0.05)。

图3 单双通道与视、听觉刺激的交互作用 左图为4个任务中交互作用激活的皮质区域，显著性阈值为P<0.001；右图为任务间的激活脑区信号变化。IPL: 顶上回，*P<0.05,**P<0.01

表2 单双通道视、听觉刺激的反应时间

2.2.2视、听觉刺激的主效应 在分析了交互作用的激活脑区后，进一步分析单双通道因素及视、听觉刺激因素的主效应激活情况，对于单双通道因素的主效应结果，没有显著激活。视、听觉刺激因素的主效应F检验结果表明，脑区激活主要位于双侧颞中回(middle temporal gyrus, MTG)和右侧额中回(middle frontal gyrus, MFG)(图4、表3)。

2.2.3单双通道注意调控的差异 分析视觉和听觉在单双通道的差异激活，仅听觉目标在单通道刺激和屏蔽视觉刺激(A-Av)有显著性结果，t检验结果显示(表4、图5)，涉及区域位于 ①空间注意相关的背侧额顶网络(frontoparietal network, FPN)，包括IPL、中央前回(precentral gyrus，PreCG)和背外侧前额皮质(dorsolateral prefrontal cortex，DLPFC)；②脑岛(insula, INS)；③颞上沟/回(superior temporal sulcus/gyrus, STS/STG)。

图5 听觉目标在单通道刺激和屏蔽视觉刺激(A-Av)的差异激活 上图为听觉目标在单通道刺激和屏蔽视觉刺激(A-Av)差异激活的皮质区域，显著性阈值为P<0.001；下图为任务间的激活脑区信号变化。L：左半球；R:右半球；IPL：顶耳小叶；SMG：缘上回；PreCG:中央前回；DLPFC：背外侧前额皮质；INS：脑岛；STG：颞上回；*P<0.05,**P<0.01

表4 听觉目标在单通道刺激和屏蔽视觉刺激(A-Av)的差异激活脑区

3 讨论

fMRI是根据磁共振成像对组织磁化高度敏感的特点来研究人脑功能的一项技术，其优点在于有较高的空间、时间分辨率，无辐射损伤以及可以在活体上重复进行检测。血氧水平依赖成像(blood orggen level dependent,BOLD)是目前最常用的fMRI技术，其成像原理是连续采集一系列的脑图像并对它进行统计分析。当大脑受到刺激时，开始进行功能活动，局部脑血流速度、血流量及脑组织耗氧量均增加，脑组织局部的毛细血管和小静脉中，含氧血红蛋白浓度明显高于其周围组织。当某个大脑区域被激活时，这个区域就有更多的氧和血液进入，之后血流进入该区域的氧量远远超过被摄取的氧量，此时氧和血液含量相当高，脑组织局部氧含量的增加造成了局部逆磁性物质的增加，而周围组织因没有神经活动，氧含量不增加，局部主要为顺磁性物质，这样就构成了信号对比，通过图像后处理即可算出脑内活动区域部位和范围。

选择性注意机制和视听交互作用对空间信息的认知过程着重要意义，大脑可以将视、听通道的信息进行自动整合。当视听刺激含有不同信息，大脑将注意力从一个通道切换至另一通道时，存在不同信息之间的干扰和抢占大脑资源的情况。尤其视、听觉交互作用下的注意竞争，凸显出在分配大脑认知资源上主导感官的优先级，而这些都能在行为学和脑部活动中体现。本研究利用任务态fMRI技术研究注意力在调节单双通道视听空间信息分配时的脑活动差异，从本研究结果看，单双通道与视、听觉刺激间存在显著的交互作用(P<0.05)，即视觉和听觉在处理空间信息的过程中存在自动整合的过程；其中，视、听觉因素的主效应具有显著性(P<0.001)，无论单双通道，视觉任务的RT均显著小于听觉任务。这是由于视觉在空间认知上更具优势，在空间信息的处理中，视觉占主导地位。双通道刺激对注意听觉产生促进作用，这说明听觉注意更加容易受到视觉刺激的影响，而听觉刺激对视觉注意的影响则会产生抑制作用。视觉信息的加入对听觉的空间判断影响较大，这是由于听觉的空间方向认知上相对视觉较弱，所以视觉对其促进作用比较大。但是当听觉输入被整合到空间视觉刺激时，自动整合对RT显示出抑制作用，这导致受试者需要花费更多的时间进行反应。可以得出结论，与任务无关的感觉输入会在行为学水平上影响自上而下的注意分配。

本研究分析了单、双通道与视、听觉刺激间的交互作用在脑区的激活情况，可见，IPL在其中有显著激活，表明IPL在单双通道视听觉交互作用中具有重要作用。先前的研究也证实，IPL参与自上而下和自下而上的注意过程，单模态和多模态的调控机制，且对空间认知有重要作用[10]。

文中结果显示，差异激活主要在右侧MFG和双侧MTG，其中，MFG与空间知觉有关，右侧MFG主要用于处理位置信息的知觉决定[11]。双侧MTG主要为初级听觉皮层，主要处理基础听觉信息，且在注意调控中有重要作用[12, 13]。可见相对于视觉信息的处理，听觉信息需要调动更多的注意。

从文中结果看，视觉注意任务的反应时间大于单独视觉任务，相反，视觉注意任务的反应时间小于单独听觉任务，均无显著性差异，表明，选择性注意下的视听整合对于视觉刺激存在抑制效果，而对于听觉刺激存在促进效果。本研究对比了视觉、听觉刺激在单双通道中的激活差异，fMRI结果发现，视觉在单通道刺激和屏蔽听觉刺激(V-Va)中没有显著性差异的激活。这是由于视觉包含较强的空间信息，听觉信息的加入对其产生了抑制作用，但对于大脑的空间信息加工影响较小。已有研究发现，当受试者选择性注意在一个感觉通道时，被屏蔽的通道所在的大脑皮层活动将被抑制，从而导致该大脑皮层减少产生多感觉整合的刺激信息[8]。视觉系统通常主导视听空间过程，因为它具有比听觉系统更高的空间敏锐度[14]。听觉方面，单独听觉任务的激活皮层区域大于视觉注意任务，这表明与任务无关的视觉刺激对听觉加工有抑制作用，与受试者对每个任务的反应时间结果相一致，即对于空间任务，听觉会增加大脑的信息处理量，单通道听觉相对于听觉注意任务消耗了更多的脑部资源，导致单独听觉任务的判断过程更长(反应时间更长)。听觉目标在单通道刺激和屏蔽视觉刺激(A-Av)的显著差异激活主要位于背侧FPN，双侧INS及双侧STG/STS。研究结果表明，与空间工作记忆一样，双侧IPL(BA40)和DLPFC(BA46)与空间选择性注意有关[15]。INS是感觉信息加工的重要脑区[16, 17]，STS与视听整合过程相关，主要负责在感觉水平处理跨模态的信息[18, 19]，STG作为初级听觉皮层的一部分对简单的声音信息进行处理。

综上所述，单双通道和视、听觉刺激在大脑信息处理中存在交互作用，即存在自动进行的视听整合过程，左侧顶下小叶在其中起主要作用；视听觉因素在单双通道空间信息分配处理中有显著差异；对于视觉目标，与任务无关的听觉刺激对视觉空间注意存在促进作用，而对于听觉目标，多感觉通道的输入抑制了听觉信息的加工；说明视觉和听觉在外界空间信息处理的过程中，存在视觉信息选择性优势；在听觉空间信息处理的过程中，根据视觉的选择性优势，大脑会自动对听觉进行视听双通道的整合加工。