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視覺失匹配負(fù)波中的額葉注意機(jī)制研究

/于瀾1編譯 冀飛1審校/1解放軍總醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科，解放軍總醫(yī)院耳鼻咽喉科研究所(北京100853)

1 研究背景

自動感知環(huán)境的變化是注意力的核心部分。失匹配負(fù)波(mismatch negativity，MMN)是一種電生理反應(yīng)，是指在一系列符合規(guī)律的感官刺激中引入一個偏差刺激產(chǎn)生的反應(yīng)，能夠反映大腦對感覺信息自動監(jiān)測的能力。這種偏差刺激的形式可以表現(xiàn)為刺激聲特性的偏差如刺激聲之間的抽象偏差或一系列對稱刺激中的非對稱刺激。電生理和功能性影像學(xué)研究表明，聽覺失匹配負(fù)波(aMMN)與額葉和顳葉有關(guān)，其很快成為檢測感官處理和注意力的工具，也是提示認(rèn)知功能減退的一項(xiàng)指標(biāo)，已被廣泛應(yīng)用于聽覺領(lǐng)域，記錄顳葉和額葉區(qū)域的中樞反應(yīng)。

MMN的神經(jīng)來源存在兩種假說：一是大腦皮質(zhì)優(yōu)勢顳葉區(qū)的反應(yīng)，將傳入刺激和先前刺激形成的記憶痕跡進(jìn)行對比；另一個是額葉反應(yīng)與刺激變化相關(guān)的注意力有關(guān)。fMRI(functional magnetic resonance imaging，fMRI)和PET技術(shù)能夠顯示左、右及雙側(cè)額下回(inferior frontal gyrus, IFG)對聲刺激的音高變化的反應(yīng)。聲刺激的持續(xù)時(shí)間變化也與左、右及雙側(cè)IFG和額葉活動增強(qiáng)有關(guān)。額葉活動的位置變化可能與注意力有關(guān)，即對刺激聲的集中程度。近期有研究運(yùn)用獨(dú)立成分分析來檢測aMMN的振蕩特點(diǎn)，推斷額葉的活動增強(qiáng)范圍與主動還是被動接受刺激有關(guān)，也與刺激的復(fù)雜程度有關(guān)。

鑒于aMMN網(wǎng)絡(luò)似乎是由兩側(cè)聽覺皮層與額葉活動相互作用產(chǎn)生的，因此，MMN中的額葉活動可能來源于其他感官反應(yīng)。最近關(guān)于aMMN和視覺MMN(vMMN)的理論和實(shí)踐證明，額葉和分級預(yù)測編碼的感覺區(qū)存在相互作用。鑒于此，當(dāng)感官輸入與預(yù)測輸入不匹配時(shí)，MMN會提示出現(xiàn)一個錯誤信號。額葉機(jī)制被認(rèn)為是基于預(yù)測編碼，然后反饋回感官處理區(qū)域。因此，額葉區(qū)域與vMMN有關(guān)，然而額葉機(jī)制的位置和性質(zhì)在文獻(xiàn)中尚未見明確描述。額葉機(jī)制可能對多個模式的變化敏感，可運(yùn)用fMRI來檢測特定模式和常規(guī)網(wǎng)絡(luò)下視覺、聽覺和觸覺被動感知變化的能力。單一模式狀態(tài)的激活會出現(xiàn)在相應(yīng)的視覺、聽覺和軀體感覺處理區(qū)域，而多模式的活動分布屬網(wǎng)絡(luò)式的，包括雙側(cè)額前葉和右側(cè)腦島，盡管額葉的功能作用和位置還不明確，越來越多的研究表明額葉區(qū)域與視覺異常感知有關(guān)。

本研究旨在運(yùn)用改進(jìn)的fMRI和EEG(electroencephalography，EEG)相結(jié)合的方式，在無認(rèn)知負(fù)荷導(dǎo)致的潛在混雜因素的影響下，觀察對于簡單視覺對象改變時(shí)產(chǎn)生的vMMN反應(yīng)，目的是研究額葉的活動是否與vMMN有關(guān)，并進(jìn)一步探測對刺激變化的低位感知是否存在多模式機(jī)制。

2 方法及結(jié)果

本研究選取20名健康青年人，年齡21～34歲，平均25.1±4.5歲，其中男7例，女13例。參與者被指示持續(xù)注視屏幕上大藍(lán)框(10.5°×10.5°)中的小藍(lán)框(1.3°×1.3°的視角)，藍(lán)框的中心會周期性地變成紅色，當(dāng)顏色變化時(shí)，參與者需盡快做出反應(yīng)，即按下按鈕；受試者只需將注意力集中于固定刺激和靶刺激，忽略任何出現(xiàn)在屏幕上的其他刺激。由于靶刺激只是偶爾出現(xiàn)，受試者必須保持注意力高度集中。單白條(3.9°×1.2°)和雙白條(每條3.9°×0.6°)，兩者在總量上是一樣的，亮光總是同時(shí)出現(xiàn)在中央藍(lán)框的上方和下方。由于單雙白條作為標(biāo)準(zhǔn)刺激和偏差刺激會相互抵銷，因此，規(guī)定雙條作為偏差刺激、單條作為標(biāo)準(zhǔn)刺激時(shí)定義為A，單條作為偏差刺激、雙條作為標(biāo)準(zhǔn)刺激時(shí)定義為B。刺激分布于18個平衡區(qū)塊(counterbalanced blocks)，八個區(qū)塊僅包含標(biāo)準(zhǔn)刺激和靶刺激(稱作standard only部分)，十個區(qū)塊包含標(biāo)準(zhǔn)刺激、靶刺激和偏差刺激。18個區(qū)塊出現(xiàn)的順序完全隨機(jī)，每個部分持續(xù)100～140 s，區(qū)塊之間有15～25 s的間歇時(shí)間。運(yùn)用劃分區(qū)域的設(shè)計(jì)而不是事件相關(guān)設(shè)計(jì)，是因?yàn)镸MN測試需要保證刺激間隔相對較短，使受試者保持牢固的感覺記憶痕跡。事件相關(guān)的設(shè)計(jì)在連續(xù)的刺激之間需要更長的時(shí)間間隔，以減少先前刺激產(chǎn)生的記憶痕跡。

標(biāo)準(zhǔn)刺激、偏差刺激和靶刺激會持續(xù)200 ms，隨機(jī)刺激間歇的時(shí)間間隔(ISI)會持續(xù)500～700 ms。靶刺激和偏差刺激在標(biāo)準(zhǔn)刺激之間按照偽隨機(jī)序列插入，這樣在每個偏差刺激之前至少都有兩個標(biāo)準(zhǔn)刺激。標(biāo)準(zhǔn)刺激、偏差刺激和靶刺激的比率為16：1：1，有1 248個標(biāo)準(zhǔn)刺激，18個偏差和78個靶刺激。包含標(biāo)準(zhǔn)刺激和靶刺激的區(qū)塊中只有1 248個標(biāo)準(zhǔn)刺激和78個靶刺激被呈現(xiàn)。EEG和fMRI測試的順序在參與者之間是相互平衡的，每次持續(xù)36分鐘。在早期的視覺誘發(fā)電位研究的基礎(chǔ)上，選取七個電極(O1、Oz、O2、PO9、PO10、PO7、PO8)做統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。這是第一個采用功能性影像學(xué)檢查、通過vMMN反應(yīng)測量神經(jīng)反應(yīng)機(jī)制的研究。探測感官對低水平改變的反應(yīng)時(shí)建議使用多模式機(jī)制。結(jié)果表明，左腦額中回(MFG)和前下回(IFG)在靶刺激出現(xiàn)時(shí)活動增強(qiáng)。而這兩個部位被認(rèn)為是MMN的主要起源區(qū)域。

3 討論

通過aMMN，額葉機(jī)制被描述為注意力定向或觸發(fā)，識別感官處理區(qū)域的變化，這種功能與IFG的聯(lián)系是模式相關(guān)區(qū)域的注意力網(wǎng)絡(luò)，也建議右側(cè)下額葉皮層的子區(qū)域幫助識別行為相關(guān)線索。關(guān)于為什么是左側(cè)或雙側(cè)，需要達(dá)成一致。IFG的研究，可能是因?yàn)樽髠?cè)IFG的活動是通過受試者根據(jù)制定的任務(wù)規(guī)則做出反應(yīng)，而不是抽象的或口頭的形式。在本研究中，對標(biāo)準(zhǔn)和偏差刺激的具體規(guī)則是恒定的(對靶刺激的反應(yīng)是明確的)。研究中，對電生理 P3反應(yīng)的監(jiān)測也是對額葉區(qū)域活動(任務(wù)相關(guān)vs任務(wù)無關(guān)的事件/刺激)的補(bǔ)充證明。本研究采用類似于三種刺激的oddball刺激序列，包括標(biāo)準(zhǔn)刺激、偏差刺激和靶刺激，在這種情況下，非靶向的偏差刺激通常會引出一個額部生成的P3a成分，而靶刺激可能會引出一個額部生成的P3a和一個頂部生成的P3b。相比之下，偏差刺激一般不會引出一個清晰的額部 P3a，目前的研究也都說明了這一點(diǎn)。可能是由于靶刺激和標(biāo)準(zhǔn)刺激的差異小了，導(dǎo)致相關(guān)的反應(yīng)降低或P3a反應(yīng)缺失，并且，靶刺激還能引出N2和P3b ERPs反映了明確的注意力以及對這些刺激的反應(yīng)。沒有異常刺激直接作用時(shí)，事件相關(guān)電位ERPs中是不會出現(xiàn)這些成分的。因此，MRI的時(shí)域分辨通常很難從額葉后部區(qū)分MMN活動，研究觀察到的活動反應(yīng)可能與P3a無關(guān)。關(guān)于MMN的研究應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)的是，額部信息反映的是注意力的捕獲和/或潛在對注意力轉(zhuǎn)向抑制干擾刺激。

只有在聯(lián)合A刺激時(shí)，vMMN才能引出。vMMN反應(yīng)是一個特異性的刺激反應(yīng)，一項(xiàng)對ERP的隨訪研究數(shù)據(jù)顯示，聯(lián)合刺激確實(shí)能夠引出vMMN (兩個偏差刺激，一個標(biāo)準(zhǔn)刺激)。ERP反映的是雙重刺激的關(guān)系，而不是刺激本身物理特性的差異。 研究發(fā)現(xiàn)不是所有的聯(lián)合刺激都會引出MMN反應(yīng)。MMN在聽覺領(lǐng)域也有應(yīng)用，如，頻率的增加比降低能更有效引出MMN。vMMN的最新進(jìn)展提供了更細(xì)致的方法來控制刺激的差異，但該方法不適用于功能性磁共振的研究。在當(dāng)前研究中采用該方法需進(jìn)行篩選，要能夠同時(shí)采集事件相關(guān)腦電圖和區(qū)組設(shè)計(jì)功能性磁共振的數(shù)據(jù)。聯(lián)合B刺激不能引出vMMN反應(yīng)。當(dāng)腦電圖記錄到了vMMN反應(yīng)，就會伴有左側(cè)額葉BOLD的增加；若沒有記錄到vMMN反應(yīng)，就不會有左側(cè)額葉BOLD的增加，該方法被成功用于引出vMMN，在健康年輕人、老年人和老年癡呆患者中都曾成功應(yīng)用于引出vMMN；因此，聯(lián)合A刺激得到的反應(yīng)能夠識別視覺環(huán)境的改變。研究還發(fā)現(xiàn)頂葉連接的左緣上回活動增強(qiáng)，阻礙了相對于標(biāo)準(zhǔn)區(qū)域的偏差成分，正如左側(cè)IFG(額下回)，該區(qū)域通常與語音處理、言語工作記憶有關(guān)。盡管可能會通過語義選擇過程對反應(yīng)進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，該區(qū)域的活動反映了刺激組合的變化需要一個偏差區(qū)域的運(yùn)動反應(yīng)。例如，對偶爾出現(xiàn)的靶刺激做出反應(yīng)，而不是偏差刺激。研究還發(fā)現(xiàn)，相對于異常塊，僅限標(biāo)準(zhǔn)刺激模塊(standard only blocks)的某些區(qū)域活動增強(qiáng)，這些區(qū)域包括右側(cè)中央鰓蓋骨的皮質(zhì)、右側(cè)中央后回和右側(cè)小腦，這種增強(qiáng)是預(yù)測范圍外的。standard only blocks仍然需要受試者對靶刺激做出反應(yīng)，因此，受試者在測試過程中并不是被動的或放松的狀態(tài)。另一種解釋是， 這些區(qū)域支持一個機(jī)制，即過濾(filters)是可預(yù)測的，標(biāo)準(zhǔn)條件下(standard-only conditions)的信息是不相關(guān)的，并且，該過程在偏差刺激出現(xiàn)時(shí)就會被破壞。小腦可能在aMMN中起著重要作用。

EEG和fMRI的效應(yīng)在一致性上缺乏驗(yàn)證，建議采用多種測量技術(shù)。ERPs的數(shù)據(jù)缺乏額葉效應(yīng)，負(fù)責(zé)早期P1和N1 ERPs的偶極子的方式結(jié)果導(dǎo)向在枕電極電壓峰值，更關(guān)鍵的是正面電極的反向電壓。vMMN 信息很難被分離出來，就像額葉aMMN的信息一樣，從P1到N1，能量較弱。雙邊聽覺偶極子導(dǎo)致頭頂電壓最大化，讓額葉活動更容易被識別和分離。其次，額葉的定向機(jī)制不清，可能是采用最優(yōu)方式進(jìn)行額葉電極位置的識別。fMRI技術(shù)可能更適合探測與偏差刺激相關(guān)的額葉活動，單純用EEG是無法探測偏差刺激的。vMMN反應(yīng)的空間模型運(yùn)用文中提到的解剖坐標(biāo)，提供了一個可能的解決方案。

(編譯自：Hedge C,et al. A frontal attention mechanism in the visual mismatch negativity[J].Behavioural Brain Research,2015,293：173.)

10.3969/j.issn.1006-7299.2016.06.023