事件相关电位技术在注意研究几大问题中的应用

第25卷第1期 中南民族大学学报(自然科学版) V o l.25N o.1 2006年3月 Journal of South2Central U niversity fo r N ati onalities(N at.Sci.Editi on) M ar.2006α事件相关电位技术在注意研究几大问题中的应用谢　莺(中南民族大学认知科学实验室,武汉430074)摘　要　指出了事件相关电位(ER P)是从人类被试头皮无损记录的认知相关电位,其高的时间分辨率使得它在人类认知功能的研究中发挥了重要作用.介绍了注意研究中长期存在争论的4大基本问题,分析了ER P在解决这些问题中发挥的关键作用,并展望了今后的应用前景.关键词　事件相关电位;注意;电生理中图分类号　B841　文献标识码　A　文章编号　167224321(2006)0120043204Appl ica tion of Even t-Rela ted Poten ti a l Technology i n A tten tion Stud iesX ie Y ingAbstract　Event2related po tentials(ER P s)are reco rded non2invasively from hum an scalp,w ho se h igh tempo ral reso luti on has enable them to p lay mo re and mo re i m po rtant ro le in our understanding of hum an cogniti on.In th is paper w e introduced four basic issues about attenti on w h ich is long controversial and the critical ro le ER P p layed in so lving these p roblem s,and p ropo sed future study directi on to study hum an cogniti on.Keywords　event2related po tential;attenti on;electrophysi o logyX ie Y i ng　L ect,Cognitive Science L ab,B i om edical Engineering Institute,SCU FN,W uhan430074,Ch ina 在当今认知科学研究中,各种认知成像技术正发挥越来越重要的作用.其中尤其值得关注的是ER P技术.ER P技术是一种从人类被试头皮上无损记录脑电位来提取人类认知相关信号的功能性认知成像技术.相对于其他的脑代谢 脑血流信号,ER P 信号具有很高的时间分辨率,因而使ER P技术在众多认知研究获得广泛的应用[1].ER P在注意研究领域的应用最为引人注目.自上世纪50年代以来,注意一直是认知研究的热点.在过去的几十年中,众多学者采用各种手段设计多种实验范式,对注意的各个方面进行了广泛的探索,取得了令人瞩目的成果,但围绕某些基本问题长期存在激烈争论.ER P中的许多成分与特定的认知加工阶段相联系,并能够随着注意状态变化而变化,因而在阐明这些问题中发挥了关键作用.本文将介绍注意研究中面临的4个基本而又重大的问题,以及是如何应用ER P来解决这些问题的.1　选择部位:早期还是晚期注意在信息加工的哪一阶段发挥作用,即注意选择早晚的问题是注意研究面临的一个最为基本的问题,也是认知心理学中一个长期存在争论的问题.早期选择观点认为,人的知觉加工能力是有限的,而人类面临的信息往往是大量的,因此注意的作用在于选择一部分刺激进入知觉加工;相反,晚期选择观点认为,人的知觉加工能力是无限的,因而无论注意刺激还是非注意刺激都得到了充分的知觉加工,注意的作用仅仅在于选择相关的反应.两种观点都得到大量实验结果的支持,自提出之日起即始终存在激烈争论.限于方法学上的缺陷,传统行为学实验始终未能就这一问题做出明确回答.ER P的高时间分辨率α收稿日期　2005212202作者简介　谢　莺(19722),女,讲师,研究方向:认知脑研究,E2m ail:yingxie@ 基金项目　国家自然科学基金资助项目(39670213)使它在回答注意选择部位问题上具有独特优势.由于ER P记录了从刺激呈现到反应输出整个加工过程的连续电位波动,因此,通过比较同一刺激分别在注意和非注意状态下诱发的ER P s,观察两者发生分离的时段,可以确定注意选择的部位.事实上,近年来积累的ER P研究证据表明,在一定的刺激和作业条件下,注意既可以表现为对早期感知过程进行调制的早期选择,也可以表现为对信息进行贮存或反应的晚期选择.注意早期选择的支持证据主要是在空间选择性注意实验范式下获得的.以视觉为例,当向左右视野快速呈现多个刺激,要求被试探测出现在一侧视野中的目标而忽略另一侧视野中的刺激时,可以发现注意位置上的刺激比非注意位置上的刺激在后部视觉皮层区域诱发出更大的P1(60～100m s)和N1 (140～190m s)成分,而位于P1之前的C1成分不受影响[2].从ER P和PET的联合源定位研究可知,P1的注意调制效应起源于外侧纹外皮质[3].由于起源于初级纹状皮层的C1不受影响,而位于100m s之内的P1无论是对位于注意视野中的靶刺激还是非靶刺激都表现出幅度调制现象,因此可以推断,注意选择发生在感觉信息到达初级视皮层进行的初级加工之后,而又在纹外皮层进行物体识别的知觉加工完成之前,从而支持了早期选择理论[2,4].虽然注意的早期选择观点得到了电生理学证据的大力支持,但注意在一定条件下确实可以晚期选择.反映注意在加工晚期对信息进行选择的一个典型的例子是注意瞬脱(AB)实验范式.在AB实验中,通常采用快速系列视觉呈现(R SV P)方式以大约10个项目 s的速度向被试呈现包含两个靶的刺激流,要求被试辨别靶并在刺激呈现完毕后报告.实验发现,当第2个靶(T2)在第1个靶(T1)呈现后约500m s以内呈现时,对T2报告的准确性会受到损害.就好像对T1的加工引起了注意的瞬间脱失,导致在此期间出现的T2被错过了.尽管人们已经意识到,T2作业成绩的下降不是由于刺激呈现速度太快使得对T2的知觉受到损害,注意瓶颈出现在更晚的加工阶段[5].ER P数据能够为这一推断提供直接证据.在一系列研究中,L uck和V ogel利用几个分别与不同认知加工阶段相联系的ER P成分,考察了AB范式下的注意选择机制[6].他们首先利用P1和N1成分反映早期感知觉加工的特性,考察了AB期间被试的感知能力.他们发现,虽然被试对AB期间出现的T2的正确报告率出现下降,但与T2同时呈现的不相关探针诱发的P1和N1成分没有受到抑制,表明在此期间的早期知觉加工能力没有受到影响;随后,他们又利用N400这一成分能够反映语义失匹配的特性,进一步考察了AB期间没有被正确报告的T2项目的语义加工程度.结果发现,出现在AB期间的语义不相关的字词比语义相关字词诱发出更大的N400成分,从而表明不能被口头报告的字词获得了充分的语义加工;最后,他们又利用P300成分对概率敏感并反映工作记忆内容更新的特性,考察了AB期间出现的T2是否进入了工作记忆.结果表明,T2诱发的P300成分在AB期间受到抑制.从而证明AB反映了一种知觉完成之后的知觉后阶段的晚期选择.2　选择机制:增强还是抑制注意实现对相关信息的选择究竟是通过易化对注意刺激的加工,还是通过抑制对非注意刺激的加工?还是同时采用两种机制?不同的注意理论有不同的提法.譬如,T reis m an的特征整合理论认为注意主要影响对注意刺激的加工,作用在于将前注意阶段提取的不同特征整合成完整的物体[7];而M oz2 er的计算模型则认为注意主要通过抑制对非注意刺激的加工而实现对注意刺激的正确知觉[8].行为学研究虽然发现,相对于处于注意分散状态下的中性刺激,被试对注意刺激反应得更快更准确,而对非注意刺激反应的速度和准确性都出现下降,但仅仅根据反应时和准确率很难对这些易化或抑制的机制做出准确的推断.ER P能够直观地揭示出注意的选择机制及其作用阶段.以研究得最为透彻的视觉空间选择性注意为例.H illyard和L uck等曾采用空间预提示作业范式,观察了3种不同提示条件下的ER P效应[9].与先前的研究一致,他们发现,被试在有效提示条件下对靶的探测最快最准确,而在无效提示条件下的成绩最差.相应的ER P数据表现为:相对于中性提示条件,无效提示条件下P1波幅降低,但N1波不受抑制;相反,有效提示条件下N1波幅增大,但P1波没有增强.同样的规律也表现在视觉搜索任务中:相对于无靶呈现时的中性条件,呈现在靶所在视野对侧的探针刺激(相当于无效提示条件)诱发的P1受到抑制而N1不受影响;相反,呈现在靶所在位置上的探针刺激(相当于有效提示条件)诱发的N1增大而P1不变.这些结果提示,空间选择性注意存在抑制和增强两种分离的注意机制:P1效应反映了对非注44 中南民族大学学报(自然科学版)第25卷意位置上信息加工的抑制,而N1效应则反映了对注意位置上信息加工的增强.更深入的研究表明,这种增强和抑制效应不是简单地前后耦联在一起:当被试只需对某一恒定的靶进行简单快速反应而无需辨别时只出现P1效应而没有N1效应;相反,当被试在一个搜索阵列中仅仅进行简单颜色特征探测时则只剩下N1效应而没有观察到P1的抑制效应.从而进一步阐明P1和N1效应反映了功能上完全独立的两种不同注意机制:P1效应反映了一种噪声抑制机制,而N1效应反映了对注意刺激的容量有限的识别过程[10].3　选择过程:并行还是串行从刺激阵列的众多干扰项目中搜索靶的视觉搜.通常的发现是,当靶和干扰项目仅在某一特征上存在区别时,搜索靶所需的时间与刺激阵列包含的项目多少(集大小)没有关系;然而当要搜索的靶与干扰项目在不止一个特征上相区别时,则搜索靶所需的时间随刺激阵列包含的项目数增加而增加.目前存在两种不同的理论来解释这一过程:系列搜索理论[11]认为,视觉搜索是系列进行的,注意在进行搜索时是从一个项目转移到另一个项目,直到寻找到靶,或确定靶不在搜索阵列中;相反,并行搜索理论认为,视觉搜索是并行进行的,视觉注意同时分配到所有的搜索项目来确定哪一个是靶.由于注意资源有限,因此当集大小增加时,每一项目分配得到的注意资源相对减少,从而导致加工变慢而表现出反应时随集大小增加而增加的效应[12].两种搜索理论都能很好地解释人在搜索简单物理特征时表现出的迅速高效,以及在搜索复杂特征时表现出的集大小效应.最近,W oodm an和L uck利用一个非常有意思的ER P成分N2pc进行了一系列视觉搜索研究,为解决系列搜索和并行搜索的长期纷争提供了新的思路[13].N2pc是由搜索阵列诱发的一个ER P成分,它的全称为N22po steri o r2con tralateral.该成分通常出现在N2时段(约刺激后2002300m s),在后部皮层最大,而且是出现在与被注意的物体相对的半球一侧,故而得名.由于该成分总是位于与注意物体相对的一侧半球,因此该成分就成为指示注意聚焦在何处以及如何在空间转移的一个灵敏指标.W oodm an和L uck采用了一种巧妙的实验设计,通过让不同颜色指示靶的几率不同,诱导被试采用一种已知的顺序进行搜索,来记录与靶相关的N2pc成分.实验的关键是观察有75%的几率可能是靶的颜色刺激(C75)和有25%的几率可能是靶的颜色刺激(C25)位于两侧不同视野时的N2pc分布.如果搜索是序列进行的,被试就应该首先注意75%可能是靶的颜色刺激(C75),然后才去注意25%可能是靶的颜色刺激(C25),相应地将观察到N2pc迅速地从与C75颜色相对的半球迅速地转移到与C25颜色相对的半球;相反,如果搜索是并行进行的,则被试将对C75投入更多的注意而对C25投入较少的注意,那么综合起来将观察到N2p c在C75相对的半球较大而不会随时间推移而转移.实验结果表明,当C75和C25位于相对视野时,N2pc成分首先在刺激后200～300m s 之间出现在C75颜色相对的半球,随后在300～400m s之间迅速转移到C25颜色相对的半球,从而强烈地支持了注意是序列地在项目间移动而不是均匀地分布在视野中每一项目上的序列搜索理论.4　选择对象:空间还是客体注意到底选择什么?是空间还是客体?还是客体的某一特征?有关注意选择对象的问题也是注意研究中一个长期存在争论的问题.众多的研究证明注意选择空间,也有很多研究证明注意可以选择客体或客体的特征.现在看起来,这几种选择性注意机制并不互相排斥,而是同时并存、相互补充.ER P研究曾进行过广泛的空间和非空间选择性注意效应的研究.前面已提到,视觉空间注意会引起早期视觉感觉性成分P1、N1的幅度调制.事实上,无论是在听觉还是触觉通道也都普遍地观察到了这种早期感觉性成分的幅度调制现象,从而为基于空间的选择性注意机制提供了有力的电生理学证据.相对于空间选择性注意效应来说,注意客体的某一特征的非空间选择性注意效应通常出现较晚.一般来说,最早的非空间注意效应通常出现在刺激呈现后150m s左右,表现为随注意特征不同而具有特异性分布的位于N2时段的选择负波(SN)[14],而不象最早的空间注意效应出现在刺激后100m s之内.空间注意效应早于非空间注意效应的电生理证据曾被看作空间在视觉注意中拥有特殊地位的重要支持证据.但分析实验范式可知,这种位于刺激后100m s 之内的早期空间注意效应通常是在被试预先知道注意哪一空间位置的情况下才能观察到.而在大多数视觉搜索情况下,被试往往并不知道要搜索的靶在哪里,而是需要根据一定的特征去搜索靶.因此,在这种预先不知道应该注意哪一空间位置的情况下,54第1期 谢　莺:事件相关电位技术在注意研究几大问题中的应用 被试采取的应该是一种由特征注意引导的视觉搜索策略.Hopf和Boel m an s等最近的研究证实了这一猜想[15].他们采用ER P和事件相关磁场(ERM F)的同时记录,观察和比较了视觉搜索时的特征注意效应SN和空间注意效应N2pc的时程和分布.他们发现,在进行视觉搜索时,对作业相关特征的注意效应开始于刺激后140m s的腹侧枕颞皮层,随后才出现反映空间注意效应的N2pc成分,它在刺激后约170m s才出现在与靶相对的半球上,从而为从特征注意过渡到空间注意的视觉搜索注意理论提供了有力的电生理学证据.另外,虽然P1、N1的幅度调制现象长期以来被看作是空间选择性注意所独有的现象,但V aldes2So sa、Bobes和Rodriguez等利用两个由不同颜色运动的小点组成的相互重叠的表面进行的一项研究发现,当被试选择性地注意某一表面并觉察其中偶然出现的靶时,也产生了与空间注意相似的早期注意效应[16],从而无可辩驳的证明,基于客体的注意也可能是在加工早期发生并涉及感觉增益的调控.5　结语ER P技术由于拥有现今其他许多脑认知功能成像技术所不具备的高时间分辨率,能够提供不同认知加工阶段的明确的电生理学证据,从而在诸多应用发挥了至关重要的作用.应该指出的是,由于ER P技术的空间分辨率相对欠缺,因此在许多涉及认知脑区的研究中,往往需要与其他认知研究手段相配合.今后的研究趋势是,更多地结合ER P及其他认知成像技术,充分发挥各自的优势,更好地为揭示人类的认知功能服务.参　考　文　献[1]　H illyard S A.E lectrical and m agnetic brain reco r2dings:contributi ons to cognitive neuro science[J].Curr Op in N eurobi o l,1993(3):2172224.[2]　M angun G R.N eural m echanis m s of visual selectiveattenti on[J].P sychophysi o logy,1995(32):4218. [3]　H einze H J,M angun G R,Burchert W,et 2bined spatial and tempo ral i m aging of brain activityduring visual selective attenti on in hum ans[J].N a2 ture,1994(372):5432546.[4]　H illyard S A,V ogel E K,L uck S J.Senso ry gaincontro l(amp lificati on)as a m echanis m of selectiveattenti on:E lectrophysi o logical and neuro i m aging evi2dence[J].Ph ilo soph ical T ransacti ons of the RoyalSociety:B i o logical Sciences,1998(353):125721270.[5]　Po tter M C.Sho rt2ter m concep tual m emo ry fo r p ic2tures[J].J Exp P sycho l H um Percep t Perfo r m,1976(2):5092522.[6]　V ogel E K,L uck S J,Shap iro,K L.E lectro2physi o logical evidence fo r a po stpercep tual locus ofsupp ressi on during the attenti onal blink[J].Journal of Experi m ental P sycho logy:H um an Percep ti on andPerfo r m ance,1998(24):165621674.[7]　T reis m an A M,Gelade G.A feature2integrati on theo2ry of attenti on[J].Cognitive P sycho l,1980(12):972 136.[8]　M ozer M C.T he Percep ti on of M ulti p le O bjects[M].Cam bridge M A:M IT P ress,1991.[9]　H illyard S A,L uck S J,M angun G R.T he cuing ofattenti on to visual field locati ons:A nalysis w ith ER Preco rdings[M].Bo ston:B irkhausen,1994:1225. [10]　L uck S J.M ulti p le m echanis m s of visual2spatial at2tenti on:R ecent evidence from hum an electrophysi2o logy[J].Behavi oural B rain R esearch,1995(71):1132123.[11]　T reis m an A,Go r m ican S.Feature analysis in earlyvisi on:Evidence from search asymm etries[J].P sy2cho logical R eview,1988(95):15248.[12]　D uncan J,H umph reys G.V isual search and sti m ulussi m ilarity[J].P sycho logical R eview,1989(96):4332458.[15]　W oodm an G F,L uck S J.E lectrophysi o logical m ea2surem ent of rap id sh ifts of attenti on during visualsearch[J].N ature,1999(400):8672869.[13]　A nllo2V ento L,H illyard S A.Selective attenti on tothe co lo r and directi on of moving sti m uli:E lectro2physi o logical co rrelates of h ierarch ical feature selec2ti on[J].Percep ti on&P sychophysics,1996(58):1912206.[14]　Hopf J2M,Boel m ans K,Schoenfeld A M,et al.A t2tenti on to features p recedes attenti on to locati ons invisual search:Evidence from electrom agnetic brainresponses in hum ans[J].Journal of N euro science,2004(24):182221832.[15]　V aldes2So sa M,Bobes M A,Rodriguez V,et al.Sw itch ing attenti on w ithout sh ifting the spo tligh tobject2based attenti onal modulati on of brain po ten2tials[J].Journal of Cognitive N euro science,1998(10):1372151.64 中南民族大学学报(自然科学版)第25卷。