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·卫生预防· 大学生视觉突出性目标加工的神经机制 赵艳杰 周曙 赵云肖 黄金君 DOI 10.3760/cma.j.issn.1674-6554.2012.04.025 基金项目:国家自然科学基金项目( 30270468 作者单位: 510515 广州,南方医科大学南方医院神经内科[赵艳 杰、赵云肖、黄金君(研究生)、周曙] 通信作者:周曙, Email zhoushu@hotmail.com 【摘要】目的 利用事件相关电位( ERP )时空模式探讨视觉突出性目标加工的神经机制。方法 16 名受试者执行视觉搜索任务,按键判定 个项目中是否存在 个目标,其中目标和 个分心物可能具备颜 色突出性。行为绩效和 ERP 数据应用 (分心物突出性:有、无) ×3 (目标:缺失、低突出性、高突出性)双因 素重复测量方差分析。结果 反应时间交互效应显著( 1.99 29.79 =21.56 =0.00 )。低突出性目标的搜索 反应时间在分心物突出性存在[( 552.57±82.32 ms ]和缺乏[( 540.47±75.68 ms ]条件下差异显著( 15 -2.489 =0.025 )。高突出性目标的搜索反应时间在分心物突出性存在[( 527.14±77.84 ms ]和缺乏 [( 527.77±78.31 ms ]条件下无显著差异( 15 =0.162 =0.873 )。ERP 值统计参数映像提示:在 知觉阶段( 350~450ms ),分心物和目标的突出性效应分别出现在处理刺激新奇性的右额顶颞区和视觉加 工相关的顶枕区,两者的交互效应存在于刺激熟悉性加工及分类相关的左颞区( 450~600ms )。结论 突出性目标的迅捷加工得益于早期其与分心物的并行处理以及后期左颞区熟悉性网络对其的有效分类。 【关键词】 视觉搜索; 视觉注意; 注意网络; 事件相关电位 Neuralmechanismofsalienttargetprocessingincollegestudents ZHAOYanjie ZHOUShu ZHAOYunxi ao HUANGJinjun.DepartmentofNeurology NanfangHospital SouthernMedicalUniversity Guangzhou510515 China Abstract Objective Toinvestigatetheneuralmechanismofprocessingthesalienttargetduringthevis ualsearchtaskwithspatiotemporalpatternsofeventrelatedpotential ERP Methods Sixteensubjectswere askedtojudgetheexistenceofaloworhighsalienttargetfrom4items inwhichonedistractormightbealsosali entornot.AtwowayrepeatedmeasureANOVAwascarriedoutforbehavioralperformanceandERPdata distrac torsaliency YES NO target none lowsalient highsalient Results Significantinteractionwasfound betweentargetanddistractorforthereactiontime 1.99 29.79 =21.56 =0.00 .Forthelowsalienttarget signif icantdifferenceofreactiontimewasfoundbetweentheYES 552.57±82.32ms andNO540.47±75.68ms ofdistractorsaliency 15 =-2.489 =0.025 .However suchdifferenceofreactiontimewasnotsignificant forthehighsalienttarget.ThestatisticalparametricmappingofFvalueofERPsuggestedtheeffectofthedistractor saliencyrevealedintherightfrontoparietaltemporalareasrelatedtostimulusnoveltyandtheeffectofthetarget saliencyappearedintheparietaloccipitalregionsrelatedtovisualprocessingduringthesamestage 350~450 ms .Thesignificantinteractionoccurredinthelefttemporalregions 450~600ms relatedtostimulusfamiliarity anditsclassification. Conclusion Duetobothmechanismsoftheparallelprocessingforthetargetandthedis tractorduringtheperceptualstageandtheeffectiveclassificationofthefamiliarnetworkwithinlefthemispheredur ingthestageofpatternclassification thesalienttargetcanbeprocessedquicklyinspiteoftheinterferencefrom thesalientdistractor. Keywords Visualsearch Visualattention Attentionnetwork Eventrelatedpotential 颜色或形状突出的视觉目标具备一定的新奇性。 Goldberg 基于神经心理学研究,提出新奇信息常 规化理论:无论信息是源于语言或非语言刺激,右侧半 球和左侧半球分别侧重加工新奇性刺激和熟悉性刺 激;随着对新奇信息的熟悉,加工中心也从右侧半球转 移到左侧半球。另一方面,当突出性分心物存在时,目 标搜索反应时间延长 ;较强突出性分心物对应更长 的搜索反应时间 。这表明注意焦点首先被突出性 分心物占据,且自顶向下机制难以抑制基于自底向上 机制的注意捕获。维持任务定势、克服分心物干扰和 转移注意焦点均需要较多主观努力,划归于注意的自 顶向下机制;而突出性刺激加工较少需要主观努力,更 多涉及注意的自底向上机制。应用事件相关电位的研 究发现目标伴随分心物比其单独呈现更能在枕区引出 较小 N1 140~170ms )和 N2 220ms )成分 ,提供了 分心效应的神经证据。当任务线索包含目标特征时, 目标刺激能在枕区产生更大的 N2pc 220~280ms )成 ,提示自顶向下注意机制参与调节自底向上加工 过程。突出性刺激的加工可能首先启动自底向上机制 为主的注意捕获,随后,由自顶向下机制实现对分心物 的注意撤离。然而,相关脑区的相互作用和时机仍缺 乏清晰认识,需要更为深入和细致的考察。本研究在 突出性分心物有或无条件下,通过分级改变目标突出 · · 中华行为医学与脑科学杂志 2012 月第 21 卷第 ChinJBehavMed&BrainSci April2012 Vol.21 No.4

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·卫生预防·

大学生视觉突出性目标加工的神经机制

赵艳杰 周曙 赵云肖 黄金君

DOI:10.3760/cma.j.issn.1674-6554.2012.04.025基金项目:国家自然科学基金项目(30270468)作者单位:510515广州,南方医科大学南方医院神经内科[赵艳

杰、赵云肖、黄金君(研究生)、周曙]

通信作者:周曙,Email:zhoushu@hotmail.com

【摘要】 目的 利用事件相关电位(ERP)时空模式探讨视觉突出性目标加工的神经机制。方法 16名受试者执行视觉搜索任务,按键判定4个项目中是否存在1个目标,其中目标和1个分心物可能具备颜色突出性。行为绩效和ERP数据应用2(分心物突出性:有、无)×3(目标:缺失、低突出性、高突出性)双因素重复测量方差分析。结果 反应时间交互效应显著(F(1.99,29.79)=21.56,P=0.00)。低突出性目标的搜索反应时间在分心物突出性存在[(552.57±82.32)ms]和缺乏[(540.47±75.68)ms]条件下差异显著(t(15)=-2.489,P=0.025)。高突出性目标的搜索反应时间在分心物突出性存在[(527.14±77.84)ms]和缺乏[(527.77±78.31)ms]条件下无显著差异(t(15)=0.162,P=0.873)。ERP的 F值统计参数映像提示:在知觉阶段(350~450ms),分心物和目标的突出性效应分别出现在处理刺激新奇性的右额顶颞区和视觉加工相关的顶枕区,两者的交互效应存在于刺激熟悉性加工及分类相关的左颞区(450~600ms)。结论 高

突出性目标的迅捷加工得益于早期其与分心物的并行处理以及后期左颞区熟悉性网络对其的有效分类。

【关键词】 视觉搜索; 视觉注意; 注意网络; 事件相关电位

Neuralmechanismofsalienttargetprocessingincollegestudents ZHAOYanjie,ZHOUShu,ZHAOYunxiao,HUANGJinjun.DepartmentofNeurology,NanfangHospital,SouthernMedicalUniversity,Guangzhou510515,China

【Abstract】 Objective Toinvestigatetheneuralmechanismofprocessingthesalienttargetduringthevisualsearchtaskwithspatiotemporalpatternsofeventrelatedpotential(ERP).Methods Sixteensubjectswereaskedtojudgetheexistenceofaloworhighsalienttargetfrom4items,inwhichonedistractormightbealsosalientornot.AtwowayrepeatedmeasureANOVAwascarriedoutforbehavioralperformanceandERPdata(distractorsaliency:YES,NO) (target:none,lowsalient,highsalient).Results Significantinteractionwasfoundbetweentargetanddistractorforthereactiontime(F(1.99,29.79)=21.56,P=0.00).Forthelowsalienttarget,significantdifferenceofreactiontimewasfoundbetweentheYES(552.57±82.32ms)andNO(540.47±75.68ms)ofdistractorsaliency(t(15)=-2.489,P=0.025).However,suchdifferenceofreactiontimewasnotsignificantforthehighsalienttarget.ThestatisticalparametricmappingofFvalueofERPsuggestedtheeffectofthedistractorsaliencyrevealedintherightfrontoparietaltemporalareasrelatedtostimulusnoveltyandtheeffectofthetargetsaliencyappearedintheparietaloccipitalregionsrelatedtovisualprocessingduringthesamestage(350~450ms).Thesignificantinteractionoccurredinthelefttemporalregions(450~600ms)relatedtostimulusfamiliarityanditsclassification.Conclusion Duetobothmechanismsoftheparallelprocessingforthetargetandthedistractorduringtheperceptualstageandtheeffectiveclassificationofthefamiliarnetworkwithinlefthemisphereduringthestageofpatternclassification,thesalienttargetcanbeprocessedquicklyinspiteoftheinterferencefromthesalientdistractor.

【Keywords】 Visualsearch; Visualattention; Attentionnetwork; Eventrelatedpotential

颜色或形状突出的视觉目标具备一定的新奇性。

Goldberg等[1]基于神经心理学研究,提出新奇信息常

规化理论:无论信息是源于语言或非语言刺激,右侧半

球和左侧半球分别侧重加工新奇性刺激和熟悉性刺

激;随着对新奇信息的熟悉,加工中心也从右侧半球转

移到左侧半球。另一方面,当突出性分心物存在时,目

标搜索反应时间延长[2];较强突出性分心物对应更长

的搜索反应时间[3]。这表明注意焦点首先被突出性

分心物占据,且自顶向下机制难以抑制基于自底向上

机制的注意捕获。维持任务定势、克服分心物干扰和

转移注意焦点均需要较多主观努力,划归于注意的自

顶向下机制;而突出性刺激加工较少需要主观努力,更

多涉及注意的自底向上机制。应用事件相关电位的研

究发现目标伴随分心物比其单独呈现更能在枕区引出

较小N1(140~170ms)和N2(220ms)成分[4],提供了

分心效应的神经证据。当任务线索包含目标特征时,

目标刺激能在枕区产生更大的N2pc(220~280ms)成分[5],提示自顶向下注意机制参与调节自底向上加工

过程。突出性刺激的加工可能首先启动自底向上机制

为主的注意捕获,随后,由自顶向下机制实现对分心物

的注意撤离。然而,相关脑区的相互作用和时机仍缺

乏清晰认识,需要更为深入和细致的考察。本研究在

突出性分心物有或无条件下,通过分级改变目标突出

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性,探讨注意焦点转移、自底向上和自顶向下两种机制

在视觉搜索中的相互关系,利用事件相关电位时空模

式揭示注意网络的功能特点。

对象与方法

一、对象

研究时间为2011年7~8月。18名在读大学生自愿参加本试验,2人因眼动干扰太多被剔除,余16人(男生7人)年龄介于22~26岁,右利手,身体健康无神经及精神疾病,视力或矫正视力正常,无色盲色

弱,此前未参加过类似试验。

二、方法

1.刺激材料:每张刺激图片包含4个边长1.09cm的色块,平均分布在黑色背景的4个象限中。其中,各色块饱和度和亮度分别取值240和120;突出性和非突出性分心物色调分别为200(粉红)和160(深蓝),突出性与非突出性分心物出现概率均为0.50。低和高突出性目标色调分别为140(淡蓝)和135(天蓝)。突出性与非突出性目标出现概率均为0.33。被试与显示屏间隔100cm,各色块视角0.62°,最边缘色块中心与屏幕中心的视角为2.78°。2.试验过程:采用2(分心物突出性:有、无)×3

(目标:缺失、低突出性、高突出性)两因素重复测量试

验设计。6种试验条件下分别含90张图片,各图片随机顺序呈现1500ms,刺激起始异步2500ms,要求被试判断图片内4个项目是否包含目标并进行左/右手按键反应,要求尽快尽准按键,左/右手按键顺序在被试间平衡。屏幕刷新率 75Hz。试验实施分为 10个阶段,各阶段呈现各类图片54张,每个阶段之间被试可休息20s。在安静及较暗环境下(相对隔音,室温约24℃),受试者舒适体位坐于椅中,距计算机屏幕约1.0m。正式试验开始前,让受试者进行10min的试验任务训练以熟悉试验程序。系统自动记录反应时间及

反应按键的正误。

3.脑电记录:采用本试验室开发的ERP系统和北京新拓公司的19通道脑电放大器。记录电极按国际1020标准导联系统安装;连接双侧耳垂为参考;接地电极置于前额正中。滤波通频带为[0.5,100]Hz,头皮与电极间阻抗 <5kΩ。自动拒绝伪差阈值设为70μV,并进一步目测手工排除眼动和肌电。EEG片段分析时间窗为:图片出现前100ms(基线)至呈现后1000ms;分类叠加EEG片段获得ERP。

4.统计分析:(1)行为数据采用SPSS13.0软件行双因素重复测量方差分析,不满足球形检验则用

GreenhouseGeissor法校正。(2)ERP数据利用 ERP系统的统计软件包对多通道 ERP数据进行两类双因素重复测量方差分析:2(分心物突出性:有、无)×3(目标:缺失、低突出性、高突出性)与2(分心物突出性:有、无)×2(目标突出性:低、高)。其中,后者(2×

2分析)去除了目标有无因素的影响,单纯考察目标与分心物突出性有无的效应。19通道 ERP对应的 F值经插值获得统计参数映像(statisticalparametricmapping,SPM)[67]。其中,水平数为3的因素 F值显著阈值采用保守的自由度减半方式调整。以P<0.05为差异有统计学意义。

结 果

一、被试不同任务的反应时间及正确率比较

1.被试不同任务的反应时间:目标和分心物交互效应显著(F(1.99,29.79)=21.56,P=0.00)。在分心物突出性有、无条件下,目标突出性简单效应也分别达到显

著(F(1.59,23.87)=102.49,P=0.00;F(1.20,18.03)=45.50,P=0.00)。分别的 LSD检验提示两两比较差异均显著。在目标同一水平条件下,比较反应时间在分心物突出

性存在和缺乏条件之间的差异。其中,目标缺失组(t(15)=-7.822,P=0.000)和低突出目标组(t(15)=-2.489,P=0.025)均差异显著,而高突出目标组差异不显著(t(15)=0.162,P=0.873)。见表1。

2.被试不同任务的正确率:16名被试在不同条件下正确率统计结果均未达统计显著意义。见表1。

表1 被试不同任务的反应时间及正确率

比较(n=16,x±s)

分心物 目标 反应时间 (ms) 正确率((%)

有突出性 缺失 636.72±83.43 96.25±4.18低突出 552.57±82.23 97.29±2.69高突出 527.14±77.84 97.99±3.04

无突出性 缺失 597.14±87.23 97.08±2.69低突出 540.47±75.68 97.08±3.44高突出 527.77±78.31 97.57±2.64

二、被试不同任务的多通道ERP波形16名被试的ERP总平均波形,对应于分心物突出

性(有、无)和目标(缺失、低突出性、高突出性)6种组合条件。见图1。

三、被试不同任务的ERP统计参数映像时空模式图2分别给出两种方差分析对应的SPM(F)时空

模式(350~700ms)。其中(A、B、C)为2(分心物突出性:有、无)×3(目标:缺失、低突出性、高突出性)分析;(D、E、F)为2(分心物突出性:有、无)×2(目标突出性:低、高)分析。

显著效应涉及脑区和时段列举如下。(A)交互效应:右额颞区(700~750ms)。(B)目标主效应:顶枕区及左前额(350~450ms)、除双侧前额区外的大部分脑区(500~700ms)。(C)分心物主效应:额顶区和右侧颞区(350~450ms)、左前额(400~500ms)及额顶区(650~750ms)。(D)交互效应:左颞区(450~600ms)。(E)目标主效应:顶枕区(350~450ms)、右额顶颞岛或/和左颞区(500~700ms)。(F)分心物主效应:右额顶颞区(包括岛叶)(350450ms)和左前额(500~550ms)。

·163·中华行为医学与脑科学杂志2012年4月第21卷第4期 ChinJBehavMed&BrainSci,April2012,Vol.21,No.4

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注:在有、无分心物突出性(干扰)条件下,目标(靶刺激)三

种情况(缺失、低突出、高突出)对应的16名被试的总平均ERP波形

图1 被试总平均ERP波形图

注:(A,B,C)为2(分心物突出性:有,无)×3(目标:缺失,低突出性,高突出性)分析;(D,E,F)为2(分心物突出性:有,无)×2(目标突出性:低,高)分析。(A,D)交互效应,(B,E)目标主效应,(C,F)分心物主效应。各模式窗长50ms,左下角数字为各模式起始时刻(ms),箭头示 F值显著性阈值

图2 两种方差分析的SPM(F)时空模式图

讨 论

本试验行为结果表明,突出性分心物对目标搜索

的干扰随目标突出性增强而减弱,甚而消失。换言之,

突出性目标可以有效摆脱分心物干扰。该结果与

Geng等[8]结论一致。功能神经影像学研究提示注意

过程涉及多个内部联系相对紧密的功能子系统(神经

集群):由右侧额下回、前岛叶和颞顶联合区形成的右

腹侧注意网络参与新奇性或突出性信息导致的重定向

过程[9],也称为突出性网络[10];而由前扣带回、额眼区

和双侧顶内沟组成的背侧(额顶)执行网络则参与目

标选择和运动反应。

既往关于注意过程中目标克服分心物干扰的

ERP研究多关注少数导联的个别成分,缺乏综合考虑网络(空间)维度的探讨。基于本研究ERP的SPM时空模式可将视觉注意网络激活时程划分为三个阶段:

(1)知觉阶段:突出目标仅激活视觉区;分心物在同一时期影响右腹侧突出性网络。两个网络独立运行。

(2)模式分类阶段:左枕颞区显著交互效应反映分心物与目标刺激均具备一定的熟悉性且两者在该区域的

加工存在竞争,该熟悉性信息加工网络可能实现目标

与分心刺激的分类。(3)执行阶段:获胜的突出性目标通过左前额极抑制和终止分心物的加工,其优势继

续保持并扩散至右腹侧注意网络,最终通过额顶执行

网络完成目标任务的执行。后 2个阶段有一定的重叠。此外,本试验在仅有分心物呈现时需要执行目标

不存在的按键反应,分心物在该条件下转变为按键行

为相关刺激,较晚阶段出现的额顶区分心物效应仅仅

出现在2×3分析中,提示额顶网络参与对分心物反应的监控。在两类分析中,左前额显著变化分别出现在

目标主效应和分心物主效应中,提示左前额可能在行

为相关刺激识别中发挥作用。

本研究结果表明,注意过程涉及多个神经集群和

多重信息加工流,仅仅使用自底向上和自顶向下机制

来描述注意过程过于简化,需要从动态神经集群角度

来考察注意相关子网络及它们之间存在的复杂相互作

用。突出性目标的迅捷加工既得益于在知觉阶段其与

分心刺激的并行加工,更获益于其在模式识别阶段涉

及左颞区的熟悉性网络的有效分类,后者可能是突出

性目标克服分心物干扰的关键阶段。

参 考 文 献

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(收稿日期:2011-11-18)(本文编辑:戚厚兴)

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