高文靜 陳小剛 高小榕

(清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，北京 100084)

基于Hermite濾波器的穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位背景標(biāo)記Stroop效應(yīng)包絡(luò)分析

高文靜 陳小剛 高小榕*

(清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，北京 100084)

Stroop效應(yīng)能夠反映大腦對(duì)沖突干擾的注意。為了深入分析Stroop效應(yīng)中大腦的認(rèn)知活動(dòng)過(guò)程，設(shè)計(jì)了穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位(SSVEP)背景標(biāo)記的Stroop實(shí)驗(yàn)范式，記錄同時(shí)含有事件相關(guān)電位(ERP)信號(hào)和SSVEP信號(hào)的腦電信號(hào)，并提出基于Hermite濾波器的腦電信號(hào)包絡(luò)分析方法。采集了10例受試的腦電數(shù)據(jù)，分離得到ERP信號(hào)和SSVEP信號(hào)。在刺激后400～600 ms時(shí)間窗內(nèi)，不一致條件的ERP信號(hào)比一致條件的ERP信號(hào)更負(fù)。條件之間的差異具有統(tǒng)計(jì)顯著性，差異主要分布在前額區(qū)域，可視為Stroop效應(yīng)在腦電上的體現(xiàn)。通過(guò)包絡(luò)分析發(fā)現(xiàn),SSVEP信號(hào)的包絡(luò)在刺激后存在明顯的下降過(guò)程。ERP信號(hào)Alpha頻帶總包絡(luò)刺激之后的變化與其刺激之前的水平有關(guān)，若刺激之前Alpha頻帶總包絡(luò)的水平較高，刺激之后包絡(luò)先小幅上升后下降到比刺激前更低的水平；若刺激之前水平較低，刺激之后的包絡(luò)上升后下降到與刺激前相當(dāng)?shù)乃?。通過(guò)SSVEP背景標(biāo)記Stroop實(shí)驗(yàn)范式和包絡(luò)分析，可進(jìn)一步研究Stroop效應(yīng)的認(rèn)知活動(dòng)過(guò)程，也可為其他認(rèn)知實(shí)驗(yàn)提供參照。

Hermite濾波器;Stroop效應(yīng); 穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位(SSVEP)包絡(luò); Alpha頻帶包絡(luò)

引言

Stroop任務(wù)是認(rèn)知心理學(xué)領(lǐng)域和神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)范式，它能對(duì)認(rèn)知過(guò)程中的選擇注意和沖突干擾進(jìn)行檢測(cè)[1]。語(yǔ)義顏色Stroop效應(yīng)表現(xiàn)為:當(dāng)給被試呈現(xiàn)字體語(yǔ)義和字體顏色相沖突的刺激時(shí)，受試報(bào)告字體顏色的反應(yīng)會(huì)由于沖突而顯著的增加。這一現(xiàn)象一般解釋為大腦存在自主的語(yǔ)義加工，報(bào)告字體顏色與自主加工形成反應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)。腦電以其高時(shí)間分辨率在揭示Stroop效應(yīng)時(shí)間過(guò)程上有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。大多數(shù)研究表明，漢字語(yǔ)義顏色的Stroop任務(wù)中，事件相關(guān)電位(event related potential，ERP)N450成份存在條件之間的顯著差異[2]。

由于Stroop效應(yīng)是較為高級(jí)的認(rèn)知活動(dòng)，腦電成份相對(duì)較晚，單一的ERP分析未能很好的揭示其時(shí)間過(guò)程。穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位(steady-state visual evoked potential, SSVEP)是指大腦對(duì)周期性重復(fù)視覺(jué)刺激的響應(yīng)。SSVEP具有穩(wěn)定、不易受到眨眼干擾、可自行選擇刺激頻率等特點(diǎn)，不僅用于視覺(jué)腦機(jī)接口的實(shí)現(xiàn)[3]，也作為探針已廣泛應(yīng)用于認(rèn)知研究。研究表明，注意資源分配會(huì)改變SSVEP幅度[4]。SSVEP也用于認(rèn)知實(shí)驗(yàn)的背景標(biāo)記，通過(guò)檢測(cè)其變化來(lái)表征大腦的認(rèn)知活動(dòng)[5]。以SSVEP標(biāo)記Stroop任務(wù)背景，就可以通過(guò)分析SSVEP信號(hào)來(lái)進(jìn)一步觀察Stroop任務(wù)時(shí)大腦的認(rèn)知過(guò)程。

由于要在Stroop研究中同時(shí)分析ERP信號(hào)和SSVEP信號(hào)，兩者的分離和SSVEP包絡(luò)檢測(cè)是關(guān)鍵。對(duì)于SSVEP標(biāo)記背景信號(hào)主要分析其標(biāo)記頻率點(diǎn)的信息，目前較多采用窄帶濾波之后Hilbert變換的方法求包絡(luò)。該方法由于先要進(jìn)行窄帶濾波，若濾波器選擇不好，會(huì)有較長(zhǎng)的過(guò)度過(guò)程，并且濾波器的選擇及調(diào)節(jié)過(guò)程不夠方便簡(jiǎn)單。經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(empirical mode decomposition，EMD)和希爾伯特變換結(jié)合的希爾伯特黃變換也是包絡(luò)檢測(cè)中常用的方法[6]，但該算法包含迭代過(guò)程，較為復(fù)雜。并且上述方法都只能做離線分析，不能用于在線檢測(cè)過(guò)程。

本研究基于Hermite濾波器分析了SSVEP背景標(biāo)記Stroop任務(wù)的腦電數(shù)據(jù)。該方法可以有效的分析Stroop任務(wù)中SSVEP包絡(luò)的變化過(guò)程以及Alpha頻帶包絡(luò)的變化過(guò)程，使得能夠更加深入的研究Stroop任務(wù)相關(guān)的認(rèn)知活動(dòng)。

1 方法和實(shí)驗(yàn)

1.1Hermite濾波器

一維n階Hermite函數(shù)為

(1)

則生成一維n階Hermite濾波器為

(2)

其中，零階Hermite濾波器為

(3)

一階Hermite濾波器為

(4)

式中，σ2為帶寬參數(shù)，可以用來(lái)調(diào)節(jié)帶寬和過(guò)渡時(shí)間；fc為中心頻率[7]。

1.2仿真驗(yàn)證

1.2.1仿真實(shí)驗(yàn)1

分別生成σ2=0.01、0.025的零階Hermit濾波器h1和h2,中心頻率為15 Hz，如圖1(a)所示。仿真信號(hào)的采樣率為1 000 Hz，其中，0～2 s為15 Hz正弦信號(hào)，2～3 s為10 Hz正弦信號(hào)，3～5 s為15 Hz正弦信號(hào),時(shí)域波形及時(shí)頻分布如圖1中的(b)和(c)所示。

用生成的濾波器對(duì)仿真信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)求解，結(jié)果如圖1(d)所示。結(jié)果表明，通過(guò)調(diào)節(jié)σ2可以方便地調(diào)節(jié)通帶和過(guò)渡過(guò)程，達(dá)到好的包絡(luò)提取效果。

圖1 仿真實(shí)驗(yàn)1。 (a)Hermite濾波器在不同參數(shù)下的沖擊響應(yīng); (b)仿真信號(hào)的時(shí)域波形;(c)仿真信號(hào)的時(shí)頻分布; (d)Hermite濾波器提取的包絡(luò)Fig.1 Simulation 1. (a)Hermite filter impulse response at different parameters;(b) Simulation signal waveform in time domain;(c) Simulation signal waveform in time and frequency domain; (d)The envelope of the simulation signal extracted by Hermite filter

1.2.2仿真實(shí)驗(yàn)2

分別生成σ2=0.012的一階Hermite濾波器及Butterworth濾波器，沖擊響應(yīng)如圖2(a)所示。生成13Hz和15Hz的仿真信號(hào)，其中，0～2 s為13 Hz正弦信號(hào)，2～3 s為15 Hz正弦信號(hào)，3～5 s為10 Hz正弦信號(hào),時(shí)域波形及時(shí)頻分布如圖2中的(b)和(c)所示。

圖2 仿真2。(a)Hermite 濾波器及Butterworth濾波器的沖擊響應(yīng);(b)仿真信號(hào)的時(shí)域波形；(c)仿真信號(hào)的時(shí)頻分布;(d)Hermite濾波器及Butterworth濾波器提取的包絡(luò)Fig.2 Simulation 2. (a)Hermite filter and Butterworth filter impulse response; (b) Simulation signal waveform in time domain; (c) Simulation signal waveform in time and frequencydomain;(d)The envelope of the simulation signal extracted by the Hermite filter and Butterworth filter

用生成的濾波器對(duì)仿真信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)求解，結(jié)果如圖2(d)所示。結(jié)果表明，一階Hermite濾波器可以提取出頻率相近的兩個(gè)頻率成份的包絡(luò)，且過(guò)渡過(guò)程比較滿意，用Butterworth濾波器及Hilbert變換求包絡(luò)的方法過(guò)渡過(guò)程較長(zhǎng)且濾波不好。

以上仿真結(jié)果表明，Hermite濾波器能夠有效方便地提取信號(hào)包絡(luò)，并且Hermite濾波器有一簇函數(shù)可供靈活選擇，為各種不同頻率成份的信號(hào)包絡(luò)的提取提供了可能。

1.3ERP實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用SSVEP標(biāo)記背景的Stroop任務(wù)刺激，刺激序列如圖3所示，刺激目標(biāo)為帶有顏色的漢字，根據(jù)字義與顏色的關(guān)系分為一致、不一致、中性3種條件，背景為15 Hz閃爍，要求受試保證準(zhǔn)確率的前提下盡快通過(guò)按鍵報(bào)告刺激目標(biāo)的顏色。視覺(jué)刺激通過(guò)Matlab工具箱Psychtoolbox編程實(shí)現(xiàn)。顯示器的分辨率為1 024 像素× 768 像素，刷新率為60 幀/ s。背景與目標(biāo)刺激均呈現(xiàn)于視野中央，背景的垂直視角為4.2°、水平視角為6.4°，目標(biāo)刺激垂直視角為1.4°、水平視角為1.4°。實(shí)驗(yàn)共采集10例大學(xué)生受試(7名男性，3名女性)，視力或矯正視力正常。實(shí)驗(yàn)時(shí)受試位于密閉的屏蔽室，采用Synamps2(Neuroscan Inc.) 腦電系統(tǒng)，電極記錄位置為標(biāo)準(zhǔn)的10-20系統(tǒng)設(shè)置，采集60導(dǎo)腦電數(shù)據(jù)，采樣率為1 000 Hz，實(shí)驗(yàn)記錄以頭頂為參考。

圖3 刺激序列及3種刺激條件Fig.3 Stimulus sequence and 3 stimulus condition

每種實(shí)驗(yàn)條件產(chǎn)生的ERP是鎖相的，并且在每次試驗(yàn)中波形一致。由于固定SSVEP背景的相位為0相位和Π相位交替出現(xiàn)，則可以分離ERP信號(hào)和背景SSVEP信號(hào)如下：

(5)

(6)

式中，D為每個(gè)trial的波形，N為trial數(shù)。

1.4分析方法

1.4.1預(yù)處理

對(duì)采集的腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。用Synamps2(Neuroscan Inc.)腦電系統(tǒng)中的離線分析軟件進(jìn)行所有導(dǎo)聯(lián)共平均重參考，之后的所有分析均在Matlab中用EEGlab工具包處理，包括用EEGlab工具包中eegfilt函數(shù)進(jìn)行1～40 Hz及1～25 Hz濾波，刺激前后2 000 ms分段及按鍵錯(cuò)誤和超出閾值(100 μV)的數(shù)據(jù)剔除，其中對(duì)ERP波形做1～25 Hz濾波處理，去除SSVEP諧波成份干擾。

1.4.2信號(hào)分離及分析

按照式(5)和式(6)，對(duì)EEG數(shù)據(jù)中背景閃爍產(chǎn)生的信號(hào)(稱之為“SSVEP”信號(hào))和Stroop任務(wù)刺激產(chǎn)生的信號(hào)(稱之為“ERP”信號(hào))進(jìn)行分離。將所有受試的ERP信號(hào)進(jìn)行平均獲得ERP波形，并用t檢驗(yàn)的方法對(duì)條件之間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)；對(duì)SSVEP信號(hào)刺激后1 000 ms的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換獲得其功率譜密度，對(duì)15 Hz頻率點(diǎn)用Hermite濾波器進(jìn)行包絡(luò)分析。

1.4.3Alpha包絡(luò)分析

對(duì)ERP信號(hào)進(jìn)行Alpha頻帶包絡(luò)分析，包括Alpha誘發(fā)包絡(luò)和Alpha總包絡(luò)。其中，誘發(fā)包絡(luò)是指對(duì)每個(gè)受試，ERP信號(hào)先平均后求得包絡(luò)，它主要包含腦電中鎖相的誘發(fā)信號(hào)能量；總包絡(luò)是指對(duì)每個(gè)受試每個(gè)實(shí)驗(yàn)試次獲得的信號(hào)求包絡(luò)，后將所有試次平均獲得總包絡(luò)波形，不僅包含鎖相信號(hào)的能量，也包括其他不鎖相能量。

2 結(jié)果

2.1ERP信號(hào)與SSVEP信號(hào)分離

根據(jù)式(5)和式(6)，對(duì)單個(gè)受試信號(hào)的SSVEP背景閃爍信號(hào)和ERP腦電信號(hào)進(jìn)行分離。如圖 4(a)～(c)所示，依次為未分離信號(hào)、SSVEP信號(hào)、ERP信號(hào)的時(shí)域和頻域波形。由圖可見，未分離信號(hào)中兩個(gè)相位的信號(hào)相位差與刺激序列的相位差相同，波形中同時(shí)包含15和30 Hz諧波成分。分離得到的SSVEP信號(hào)只包含15 Hz成分，分離得到的ERP信號(hào)只包含刺激頻率的30 Hz諧波成分。與其他非刺激頻率點(diǎn)比較，SSVEP信號(hào)更加干凈，這說(shuō)明分離獲得的SSVEP信號(hào)去除了刺激無(wú)關(guān)的頻率成分。不考慮刺激頻率倍頻的干擾，該方法使ERP信號(hào)和SSVEP信號(hào)真正分離。

圖4 ERP信號(hào)和SSVEP信號(hào)(左為時(shí)域信號(hào)，右為頻域波形)。 (a)未分離信號(hào);(b)分離得到SSVEP信號(hào);(c) 分離后的ERP信號(hào)Fig.4 ERP signal and SSVEP signal(The left are signals in time domain,the right in frequency domain). (a) The waveform of unseparated signal;(b) The waveform of SSVEP signal;(c) The waveform of ERP signal

2.2Stroop任務(wù)反應(yīng)時(shí)及ERP分析結(jié)果

對(duì)所有受試ERP信號(hào)進(jìn)行平均獲得ERP波形，如圖5(a)給出FCz導(dǎo)聯(lián)一致與不一致條件的ERP波形。由圖可見，在400～600 ms的時(shí)間窗內(nèi)，條件之間存在差異；不一致條件的波形較一致條件波動(dòng)要小，與已有文獻(xiàn)的研究結(jié)果相符[2,8-9]。中性條件與其他兩種條件的差異在各個(gè)導(dǎo)聯(lián)并不一致，也無(wú)統(tǒng)計(jì)差異。一致條件與不一致條件400～600 ms均值的地形分布如圖5中(b)和(c)所示。由圖5(d)可見，兩者之間的差異分布在前額區(qū)域，并偏向左側(cè)，這與Stroop任務(wù)是有關(guān)語(yǔ)言認(rèn)知的高級(jí)活動(dòng)有關(guān)。對(duì)400～600 ms時(shí)間窗ERP平均值在一致條件與不一致條件之間進(jìn)行t檢驗(yàn)，可見圖5(e)區(qū)域有統(tǒng)計(jì)差異，具有顯著性差異的區(qū)域也偏向左側(cè)。

圖5 ERP信號(hào)的時(shí)空分布。 (a)FCz電極一致與不一致條件的ERP波形;(b) 一致條件400～600 ms時(shí)間窗均值的空間分布;(c) 不一致條件400～600 ms時(shí)間窗均值的空間分布;(d) 一致條件與不一致條件差值400～600 ms時(shí)間窗均值的空間分布;(e) 一致與不一致條件t檢驗(yàn)P值的空間分布Fig.5 Temporal and topographical maps of ERP signal.(a) ERP waveform of congruent and incongruent condition at FCz electrode; (b) Topographical maps of time window 400～600 ms mean at congruent condition; (c) Topographical maps of time window 400～600 ms mean at incongruent condition;(d) Topographical maps of time window 400～600 ms mean at the difference of incongruent condition and congruent condition; (e) Topographical maps of incongruent and congruent condition ttest andP-value

2.3SSVEP信號(hào)分析

對(duì)SSVEP信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，獲得其功率譜密度分布。用Hermite濾波器對(duì)15 Hz頻率點(diǎn)進(jìn)行能量包絡(luò)的分析，用刺激前能量值做歸一化，視覺(jué)區(qū)域所有導(dǎo)聯(lián)平均后的結(jié)果如圖6(a)所示?？梢?，刺激目標(biāo)出現(xiàn)，SSVEP幅值會(huì)快速降低，并在200 ms左右降為最低，之后能量值逐漸恢復(fù)，但在300 ms之后又緩慢下降。其中，15 Hz幅值在大腦的分布如圖6(b)所示，可見主要分布在視覺(jué)皮層區(qū)域，這一結(jié)果符合現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道[4]。

0～500 ms包絡(luò)下降的最小值在大腦的地形分布如圖6(c)所示。由于Stroop效應(yīng)在400～600 ms存在顯著性差異，分析該時(shí)間窗內(nèi)包絡(luò)下降均值的地形分布如圖6(d)所示。用導(dǎo)聯(lián)與對(duì)側(cè)導(dǎo)聯(lián)的差與和的比值表征該導(dǎo)聯(lián)的偏側(cè)性，TP7導(dǎo)聯(lián)與O1導(dǎo)聯(lián)的偏側(cè)性指數(shù)對(duì)比如圖6中(c)和(d)中的柱狀圖所示。對(duì)兩個(gè)下降過(guò)程，TP7導(dǎo)聯(lián)的偏側(cè)性指數(shù)均比O1導(dǎo)聯(lián)的偏側(cè)性指數(shù)大，這說(shuō)明其地形分布有偏側(cè)性。從地形分布上可以看到偏向左側(cè)，且400～600 ms時(shí)間窗均值的地形分布偏側(cè)性更加明顯，這一結(jié)果與ERP波形400～600 ms均值在地形分布上也偏向左側(cè)的結(jié)果吻合。

圖6 SSVEP信號(hào)分析。(a)視覺(jué)區(qū)域SSVEP包絡(luò)；(b) 15 Hz 幅值空間分布；(c)0～300 ms能量下降最小值的空間分布及TP7與O1導(dǎo)聯(lián)偏側(cè)性指數(shù)；(d)400～600 ms均值的空間分布及TP7與O1導(dǎo)聯(lián)偏側(cè)性指數(shù)Fig.6 SSVEP signal analysis. (a)SSVEPenvelope of vision area;(b) Topographical maps of 15Hz amplitude;(c) Topographical maps of envelope minimum from 0～300 ms and the Partial laterality index of TP7 and O1;(d) Topographical maps of envelope mean value from 400～ 600 ms and the Partial laterality index of TP7 and O1

2.4Alpha總包絡(luò)和Alpha誘發(fā)包絡(luò)分析

如分析方法中介紹，用Hermite濾波器對(duì)ERP信號(hào)進(jìn)行Alpha頻帶包絡(luò)分析。將刺激前300ms到刺激前200 ms的均值作為刺激前水平，根據(jù)包絡(luò)的下降和上升取刺激后的最小值均值或最大值作為刺激后水平。圖7中 (a)和(b)分別為總包絡(luò)和誘發(fā)包絡(luò)刺激前后水平的對(duì)比。Alpha誘發(fā)包絡(luò)在刺激呈現(xiàn)后所有受試都有所上升，但總包絡(luò)在刺激呈現(xiàn)后的變化與刺激前的總能量水平有關(guān)。

根據(jù)Alpha總包絡(luò)在刺激前的水平，將10位受試分為兩組——高Alpha組和低Alpha組，高Alpha組刺激前幅值在4 μV以上，低Alpha組刺激前幅值在3 μV以下，圖7(c)、(d)為兩組在刺激后的Alpha總包絡(luò)及Alpha誘發(fā)包絡(luò)。可見，對(duì)于Alpha總活動(dòng)包絡(luò)，高包絡(luò)組在刺激后先有小幅上升，然后下降到比刺激前水平更低的水平；低包絡(luò)組在刺激出現(xiàn)后先上升，然后下降到與刺激前相同的水平。對(duì)于誘發(fā)Alpha包絡(luò)，兩組在刺激后都明顯上升。上述結(jié)果與文獻(xiàn)[10]的結(jié)果一致。

圖7 Alpha包絡(luò)分析。 (a)每個(gè)受試刺激前后Alpha總包絡(luò)值(左為高Alpha組，右為低Alpha組); (b)每個(gè)受試刺激前后Alpha誘發(fā)包絡(luò)值;(c)視覺(jué)區(qū)Alpha總包絡(luò); (d)視覺(jué)區(qū)Alpha誘發(fā)包絡(luò)Fig.7 Alphaactivity analysis. (a) Prestimulus and poststimulus Alpha total activity of each subject (the left are high Alpha level subjects, the rightare the low Alpha level subjects); (b) Prestimulus and poststimulus Alpha evoke activity of each subject; (c) Alpha total activity envelope of vision area; (d) Alpha evoke activity envelope of vision area

3 討論

3.1Hermite濾波器

從仿真結(jié)果可以看到，Hermite濾波器可以有效地提取包絡(luò)波形。本研究用該方法提取了SSVEP信號(hào)的包絡(luò)及ERP信號(hào)的包絡(luò)，方法簡(jiǎn)單有效。并且，Hermite濾波器基于Hermite函數(shù)構(gòu)成，它有一簇豐富的函數(shù)可供選擇，使得Hermite濾波器能夠用于分析不同實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的信號(hào)。例如，從仿真實(shí)驗(yàn)2中可以看到，一階Hermite濾波器就能通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)，從相近頻率成分中不受干擾地提取目標(biāo)頻率成份包絡(luò)，這是一般窄帶濾波器無(wú)法做到的。

3.2Stroop效應(yīng)在SSVEP影響下的變化

Stroop效應(yīng)在行為學(xué)的反應(yīng)時(shí)上表現(xiàn)為不一致，條件的反應(yīng)時(shí)顯著高于一致條件的反應(yīng)時(shí)，許多研究結(jié)果都表明這一現(xiàn)象十分穩(wěn)定[1-2,8-9]。在本研究中SSVEP標(biāo)記背景的Stroop實(shí)驗(yàn)也得到同樣的結(jié)果，但在反應(yīng)時(shí)均值上較以往研究結(jié)果有所增長(zhǎng)，并且3種條件(一致、不一致、中性條件)均較以往結(jié)果有所增長(zhǎng)，這可能是由于背景閃爍分散了受試的注意力。Brown等認(rèn)為，注意負(fù)荷的大小會(huì)對(duì)詞的視覺(jué)識(shí)別產(chǎn)生影響[11]。在ERP波形上，一般認(rèn)為與語(yǔ)義顏色Stroop任務(wù)最相關(guān)的成分是較晚的N450成分。本實(shí)驗(yàn)雖然從波形上看N450成分并不明顯，但也在400～600 ms的時(shí)間窗上看到了與以往研究趨勢(shì)相同的條件之間的差異，這也有可能是背景閃爍對(duì)Stroop任務(wù)造成的影響。從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，添加背景標(biāo)記應(yīng)盡量減少其對(duì)Stroop任務(wù)的影響，可以從刺激頻率、閃爍方式上做進(jìn)一步的改進(jìn)。例如，刺激頻率可以調(diào)節(jié)至受試感覺(jué)更舒服的高頻段，閃爍方式可以選擇更加柔和的正弦方法。另外，在圖5(e)中可以看到，條件之間的差異在TP8與PO8導(dǎo)聯(lián)中也有統(tǒng)計(jì)顯著性，這也可能是由于引入背景閃爍而引起的。

3.3SSVEP與ERP信號(hào)的分離給SSVEP包絡(luò)帶來(lái)的影響

目前，SSVEP的神經(jīng)機(jī)理并不明確，但其在3個(gè)頻帶響應(yīng)較強(qiáng)，分別是10 Hz附近的低頻帶、20 Hz附近的中頻帶以及40 Hz附近的高頻帶[4]。因此，在用SSVEP標(biāo)記背景時(shí)，可以選擇不同的頻率范圍。但由于ERP信號(hào)的重要頻率成分(如10 Hz左右的Alpha頻帶)與SSVEP響應(yīng)較強(qiáng)的成分有重疊，所以一般研究在著重分析某些頻率成分時(shí)無(wú)法避開SSVEP信號(hào)與ERP信號(hào)的相互影響[5,12]。本研究在分析SSVEP包絡(luò)時(shí)，能夠完全分離ERP信號(hào)的影響，不僅發(fā)現(xiàn)了一般研究中較早(200 ms)的包絡(luò)下降過(guò)程，也看到了相對(duì)較晚(400～600 ms)的包絡(luò)下降過(guò)程?？梢酝茢?，刺激目標(biāo)的出現(xiàn)降低了受試對(duì)背景的注意力，所以SSVEP能量包絡(luò)在200 ms下降較快；隨后，由于Stroop任務(wù)這一高級(jí)認(rèn)知活動(dòng)使得包絡(luò)值在回升后又緩慢下降,與ERP成分中存在條件差異的400～600 ms時(shí)間窗吻合。從兩段下降過(guò)程的偏側(cè)性可以進(jìn)一步推斷，包絡(luò)值下降第一過(guò)程(即200 ms左右)為自下而上的初級(jí)認(rèn)知活動(dòng)，包絡(luò)值下降的第二過(guò)程(即400～600 ms)為Stroop任務(wù)引起的自上而下的高級(jí)認(rèn)知活動(dòng)，所以有更加明顯的偏側(cè)性。Stroop任務(wù)是較為高級(jí)的認(rèn)知任務(wù)，反應(yīng)時(shí)在900 ms左右，條件之間的差異存在于相對(duì)較晚的時(shí)間段，這給尋找代表Stroop效應(yīng)的條件之間差異帶來(lái)了困難。本實(shí)驗(yàn)沒(méi)有能夠在SSVEP能量包絡(luò)上找到條件之間的差異，提示SSVEP與刺激物理屬性相關(guān)更多，其包絡(luò)下降的偏側(cè)性已經(jīng)說(shuō)明SSVEP作為探針對(duì)認(rèn)知活動(dòng)的研究效果。

3.4Alpha波包絡(luò)

腦電節(jié)律受到外界刺激及大腦認(rèn)知活動(dòng)的影響，其中Alpha節(jié)律與大腦認(rèn)知活動(dòng)密切相關(guān)，其能量的增加和下降分別反映了事件相關(guān)的同步化(event-related synchronization, ERS)和去同步化(event-related desynchronization, ERD)。Alpha能量在睜眼狀態(tài)比閉眼狀態(tài)有所下降,說(shuō)明大腦對(duì)視覺(jué)刺激自上而下的處理過(guò)程.一般認(rèn)為，Alpha能量較高,代表大腦處于空閑狀態(tài);Alpha能量較低,說(shuō)明大腦處于活動(dòng)狀態(tài)。外界刺激會(huì)產(chǎn)生Alpha能量的阻斷[13]。Van Dijk等研究了刺激前Alpha水平與刺激后決策水平的關(guān)系，結(jié)果表明兩者之間為負(fù)相關(guān)，即刺激前較低的Alpha能量水平會(huì)有較好的決策表現(xiàn)[14]。與此類似，本研究發(fā)現(xiàn),刺激后Alpha總能量與刺激之前其能量水平相關(guān)，但這一結(jié)果不符合Alpha阻斷理論。Doppelmayret等認(rèn)為,Alpha阻斷程度與其刺激前能量水平有關(guān)[15]，本研究的結(jié)果很好地支持了這一理論;刺激前低水平的Alpha能量在刺激后會(huì)有所增強(qiáng)，刺激前較高水平的Alpha能量會(huì)在刺激后降低而產(chǎn)生Alpha阻斷。語(yǔ)義顏色Stroop任務(wù)是相對(duì)高級(jí)的認(rèn)知任務(wù)，涉及語(yǔ)言分析，可以推斷大腦活動(dòng)與刺激前Alpha水平有關(guān)，這一推論與本研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。然而，這一結(jié)論仍然需要更多的實(shí)驗(yàn)支持和理論分析。

4 結(jié)論

本研究創(chuàng)新地提出用SSVEP背景標(biāo)記的Stroop實(shí)驗(yàn)，并得到400～600 ms時(shí)間窗內(nèi)ERP成分條件之間的差異，這是Stroop效應(yīng)在腦電的體現(xiàn)。通過(guò)Hermite濾波器，有效地分析了SSVEP信號(hào)包絡(luò)及ERP信號(hào)Alpha頻帶包絡(luò)，發(fā)現(xiàn)SSVEP包絡(luò)在Stroop任務(wù)出現(xiàn)后有明顯的下降，Alpha頻帶總包絡(luò)刺激后的變化與刺激前的水平有關(guān)。

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TheEnvelopeAnalysisofStroopEffectMarkedwithSSVEPBackgroundBasedonHermiteFilters

GAO Wen-Jing CHEN Xiao-Gang GAO Xiao-Rong*

(DepartmentofBiomedicalEngineering,MedicalSchool,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

Stroop effect can reflect the brain attention of the conflict and the interference. In order to analyze the brain cognitive activity of Stroop effect deeply, the Stroop experiment paradigm marked with steady state visual evoked potential (SSVEP) background was designed innovatively, which can get EEG data including both the event related potential (ERP) signals and the SSVEP signals.To realize this, the envelope analysis method based on Hermite filters was proposed.EEG data of ten subjects were recorded, and then the ERP signals and SSVEP signals were gotten respectively. In the time window of 400～600 ms after stimulus, the ERP signal of incongruent condition was more negative than that of congruent condition. The difference between two conditions was significant statistically and mainly distributed in the prefrontal regions, which was the EEG reflection of the Stroop effect. Through the envelope analysis, it was found that the envelope of SSVEP signal declined remarkably after the stimulus. The poststimulus changes of the Alpha frequency band total envelope of the ERP signal were related with its prestimulus level.If its level before stimulus was high, it declined to the lower level after a small increase; if its level before stimulus was low, it remained to the same level after an increase. We got the further cognitive activity study of Stroop effect through the Stroop experiment paradigm marked with SSVEP background and the envelope analysis method, which also provides a reference for other cognitive experiments.

Hermite filters; Stroop effect; steady-state visual evoked potential (SSVEP) envelope; Alpha envelope

10.3969/j.issn.0258-8021. 2014. 01.001

2013-10-26，錄用日期：2013-12-23

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(91120007);國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(2012AA011601)

R318

A

0258-8021(2014) 01-0001-07

*通信作者。E-mail: gxr-dea@mail.tsinghua.edu.cn