Go/NoGo實驗下NoGo-N2、P3效應(yīng)分析

尹 剛，劉鐵軍

(電子科技大學神經(jīng)信息教育部重點實驗室 成都 610054)

在使用事件相關(guān)電位(ERP)研究反應(yīng)抑制的腦機制時，通常采用Go/NoGo實驗范式，即要求被試只對特定的靶刺激做出行為反應(yīng)(Go任務(wù))，而對于非靶刺激，克制行為反應(yīng)(NoGo任務(wù))。在Go/NoGo實驗范式下，很多研究者發(fā)現(xiàn)了與前額葉相關(guān)的抑制機制的ERP證據(jù)，其中兩個最重要的ERP成份為：1) 在刺激后的大約200～300 ms內(nèi)的N2成份，NoGo任務(wù)下的N 2相對于Go任務(wù)有更大的負向幅度；2) 在刺激后的大約300～600 ms內(nèi)的P3成份，NoGo任務(wù)下P3相對于Go任務(wù)有更大的正向幅度。上述現(xiàn)象也稱為NoGo-N2效應(yīng)和NoGo-P3效應(yīng)，被研究者認為是與反應(yīng)抑制密切相關(guān)的[1-5]。

盡管很多研究結(jié)果表明在視覺或聽覺Go/NoGo任務(wù)中能得到穩(wěn)定的NoGo-N2、P3效應(yīng)，然而在Go任務(wù)中由于有行為反應(yīng)的參與，與行為反應(yīng)有固定鎖時關(guān)系的運動相關(guān)成份有可能與刺激引發(fā)的N2、P3成份產(chǎn)生相互交疊(刺激引發(fā)的N2、P3與刺激出現(xiàn)的時間有固定的鎖時關(guān)系)，造成真實的NoGo-N2、P3效應(yīng)被Go任務(wù)中的運動相關(guān)成份所干擾。因而很多研究者對反應(yīng)抑制過程中是否出現(xiàn)NoGo-N2、P3效應(yīng)產(chǎn)生了爭論，爭論的焦點主要集中在NoGo-P3效應(yīng)上[6-9]。文獻[4]和文獻[10]發(fā)現(xiàn)前額葉腦區(qū)的NoGo-P3效應(yīng)僅出現(xiàn)在需要按鍵反應(yīng)的實驗條件下，并不出現(xiàn)在計數(shù)條件下。而文獻[5]和文獻[11]并沒有得到類似結(jié)果。因此NoGo-P3效應(yīng)是反映反應(yīng)抑制的相關(guān)過程還是反映運動相關(guān)成份的干擾過程，依然是研究反應(yīng)抑制腦機制中所爭論的問題。

在Go任務(wù)下，刺激成份是鎖時于刺激出現(xiàn)的時間，而運動相關(guān)成份鎖時于反應(yīng)時，因此直接以刺激時間為參考的疊加平均ERP中既包含刺激成份又包含運動相關(guān)成份，從而掩蓋了Go任務(wù)下刺激引發(fā)的真實ERP成份。基于該問題，文獻[12]提出了刺激、反應(yīng)成份分解方法，能有效地恢復Go任務(wù)下真實的刺激、反應(yīng)成份，該算法已經(jīng)推廣到多事件相關(guān)成份的分解[13]。

本文首先運用刺激、反應(yīng)成份分解方法恢復Go任務(wù)下刺激引發(fā)真實的ERPs成份，然后對比Go/NoGo兩種任務(wù)下N2、P3成份之間的差異，對NoGo-N2、P3效應(yīng)做進一步的討論。

1 刺激、反應(yīng)成份分解方法

2 實驗數(shù)據(jù)

本文中使用的數(shù)據(jù)來自網(wǎng)上免費數(shù)據(jù)(http://www.sccn.ucsd.edu/~arno/fam2data/publicly_a vailable_EEG_data.htm l)

2.1 實驗設(shè)計

14個被試者參與動物分類和識別任務(wù)兩種任務(wù)條件，本文采用分類動物與非動物圖片的實驗數(shù)據(jù)。靶刺激圖片和非靶刺激圖片以等概率(50%)的方式呈現(xiàn)。實驗采用經(jīng)典Go/NoGo范式，行為反應(yīng)的方式是抬起壓在觸敏按鈕上的手指。對于Go任務(wù)，要求被試者看到靶刺激圖片時盡可能快和準確地做出行為反應(yīng)。

實驗開始時，黑色背景屏幕中央出現(xiàn)0.1°視角的固定點，刺激圖片為寬4.5°視角、高6.5°視角，呈現(xiàn)時間為20 ms，要求被試在1 000 ms內(nèi)做出行為反應(yīng)。刺激呈現(xiàn)的時間間隔為1 800～2 200 ms。

2.2 數(shù)據(jù)獲取

EEG數(shù)據(jù)記錄采用32導腦電采集系統(tǒng)(Oxford Instruments)，以頭頂電極(CZ)作為參考電極。EEG的采樣率為1 000 Hz，并對EEG數(shù)據(jù)做30 Hz的低通濾波。在迭加平均腦電數(shù)據(jù)之前需要去除偽跡(眨眼、眼動以及肌電)，參考電極被重新計算為平均參考。

3 結(jié) 果

本文分別對所有14個被試者計算Go任務(wù)下的刺激、反應(yīng)成份分解的結(jié)果，得到Go任務(wù)下刺激引發(fā)的純刺激成份。本文選擇N2成份的時間范圍在刺激后200～300 ms，圖中的陰影區(qū)分別表示N2、P3時間段，P3的時間范圍在刺激后的300～500 ms。其中Go條件的ERP波形有兩種，一種是直接疊加平均ERP波形(Go直接平均)，另一種是通過刺激反應(yīng)成份分解恢復出的純刺激成份ERP波形(Go恢復)。

圖1顯示了Go條件下純刺激成份ERP和直接迭加平均ERP以及NoGo條件下的平均ERP波形。為了說明方便，將Go任務(wù)下分解后得到的純刺激成份ERP稱為Go恢復，將Go任務(wù)下直接刺激時間疊加平均ERP稱為Go直接平均。在比較兩種任務(wù)下的N2和P3成份時，選擇刺激后200～300 ms和刺激后300～500 ms時間段內(nèi)ERP的平均幅度分別作為N2和P3成份的幅度。

圖1 14個被試者分別在Go和NoGo條件下的總平均ERP波形

3.1 N2成份

圖2a顯示了不同腦區(qū)N2時間段內(nèi)的平均幅度，本文選擇了不同的腦區(qū)的3個典型電極：FZ(前額葉區(qū))、PZ(后頂區(qū))、OZ(枕區(qū))。對于FZ電極，配對T檢驗的統(tǒng)計結(jié)果顯示NoGo任務(wù)下的N2相對于Go任務(wù)有更大的幅度(NoGovs.Go直接平均t=6.616，p<0.001；NoGovs.Go恢復t=5.845，p<0.001)。同時Go直接平均的N2幅度大于Go恢復的N2幅度(Go直接平均vs.Go恢復t=2.185，p=0.0478<0.05)。對于Pz電極，兩種任務(wù)下的N2幅度沒有顯著性差異(NoGovs.Go直接平均t=1.036，p=0.319>0.05；NoGovs.Go恢復t=0.233，p=0.820>0.05)。對于OZ電極，NoGo任務(wù)相對于Go任務(wù)有更大的幅度(NoGovs.Go直接平均t=5.527，p<0.001；NoGovs.Go恢復t=4.428，p<0.001)。同時Go直接平均幅度和Go恢復的N2幅度沒有顯著性差異(Go直接平均vs.Go恢復t=0.85，p=0.41>0.05)。

圖2 3個典型電極(FZ、PZ、OZ)上的N2成份和P3成份幅度的對比

3.2 P3成份

對于刺激后300～500 ms的時間段，計算3種情況下(NoGo、Go直接平均、Go恢復)ERPs的平均幅度并做配對T檢驗，結(jié)果如圖2b所示。對于FZ電極，Go直接平均的P3相對于NoGo任務(wù)有更大的幅度(NoGo vs. Go直接平均t=4.262，p<0.001)，Go恢復的P3幅度和NoGo任務(wù)下P3幅度無統(tǒng)計顯著性差異(NoGo vs. Go恢復t=0.443，p>0.05)。同時，Go直接平均P3幅度和Go恢復P3的幅度有顯著性差異(Go直接平均 vs.Go恢復t=4.588，p<0.001)。對于PZ電極，其結(jié)果和Fz電極上的結(jié)果類似，Go直接平均的P3幅度相對于NoGo和Go恢復均有更大的幅度，Go恢復的P3幅度和NoGo任務(wù)P3幅度無統(tǒng)計顯著性差異(NoGovs.Go直接平均t=4.509，p<0.001；NoGo vs. Go恢復t=0.365，p=0.721>0.05；Go直接平均vs.Go 恢復t=6.552，p<0.001)。對于OZ電極，各情況之間均無統(tǒng)計顯著性差異(N o G o v s.G o直接平均t=1.668 1.95，p=0.119>0.05；NoGo vs.Go恢復t=1.95，p=0.079>0.05；Go直接平均vs.Go恢復t=1.711，p=0.09>0.05)。

3.3 NoGo、Go差異成份

為了檢測Go、NoGo任務(wù)之間ERP成份的差異，通常采用的方法是對兩種任務(wù)下的ERP波形進行配對相減得到差異波。圖3顯示了NoGo和Go任務(wù)間的ERP差異波以及差異波在N2和P3時間段內(nèi)的平均頭表地形圖，圖中的陰影部分分別表示N2(200～300 ms)和P3(300～500 ms)時間段。

圖3 NoGo和Go兩種任務(wù)之間的ERP差異波以及差異波在N2和P3時間段的平均頭表地形圖

4 討 論

傳統(tǒng)的研究表明，Go/NoGo實驗范式下，大腦前額葉區(qū)NoGo任務(wù)相對于Go任務(wù)有N2的負向偏移和P3的正向偏移(NoGo-N2、P3效應(yīng))，因此文獻[1-5]認為NoGo-N2、P3效應(yīng)反映了反應(yīng)抑制的過程。本文采用直接迭加平均ERP的對比結(jié)果表明NoGo-N2、P3效應(yīng)和傳統(tǒng)的研究結(jié)果是一致的。然而，關(guān)于NoGo-N2、P3效應(yīng)是否反映反應(yīng)抑制過程依然存在一些爭論，爭論的焦點是NoGo-N2、P3效應(yīng)是否來自于Go任務(wù)下的運動相關(guān)成份。研究結(jié)果表明，從Go任務(wù)下直接疊加平均ERP中剝離了運動相關(guān)成份后NoGo-N2效應(yīng)依然存在，而NoGo-P3效應(yīng)則消失了，如圖3b所示，這說明在直接疊加平均下得到的NoGo-P3效應(yīng)是運動相關(guān)成份的疊加效果，很可能與反應(yīng)抑制過程無關(guān)。下面分別討論這兩個效應(yīng)。

4.1 Go/NoGo的N2效應(yīng)

對于刺激后的大約200～300 ms前額區(qū)的N2成份，NoGo任務(wù)相對于Go任務(wù)(Go直接平均，Go恢復)有一個負向偏移。雖然對比NoGo和Go直接平均以及NoGo和Go恢復都得到似的NoGo-N2效應(yīng)，但對比NoGo和Go恢復得到的NoGo-N2效應(yīng)更為明顯，同時圖3中NoGo-N2效應(yīng)的頭表地形圖表現(xiàn)在前額區(qū)更為聚集，這主要是因為在前額葉區(qū)靠近運動區(qū)，Go任務(wù)下運動相關(guān)電位的早期負向電位通過體傳導疊加到刺激引發(fā)的ERP上，使得刺激引發(fā)的N2成份幅度增加，從而導致NoGo和Go任務(wù)之間的N2成份幅度差異減小。因此本文的結(jié)果增強了NoGo-N2效應(yīng)。

4.2 Go/NoGo的P3效應(yīng)

在Go/NoGo實驗范式下，傳統(tǒng)的研究結(jié)果表明在刺激后的大約300～500 ms前額葉區(qū)NoGo任務(wù)的ERP相對于Go任務(wù)的ERP有正向偏移，即NoGo-P3效應(yīng)。對比直接疊加平均ERP，能得到很明顯的NoGo-P3效應(yīng)(如圖2b和圖3a所示)。同時NoGo-P3效應(yīng)有很明顯的前額葉區(qū)的分布(圖3a)，這與傳統(tǒng)的研究結(jié)果相符合。當從Go任務(wù)下直接疊加平均ERP中剝離開運動相關(guān)成份以后，無論時間過程還是頭表地形圖NoGo-P3效應(yīng)都消失了，這說明按傳統(tǒng)方式得到的NoGo-P3效應(yīng)的確來自運動相關(guān)成份的疊加效果。本文的研究結(jié)果也證實了文獻[6]和文獻[14]的推測：NoGo-P3效應(yīng)并不反映在NoGo條件下的抑制過程，可能僅僅是Go條件下運動相關(guān)成份的疊加效果。在文獻[15]的研究結(jié)果中，計數(shù)條件下NoGo任務(wù)并沒有相對于Go任務(wù)下更大的P3幅度，特別是在前額區(qū)(作者并未對此現(xiàn)象做出討論)，這也從另外一個角度說明了在按鍵條件下運動相關(guān)成份對NoGo-P3效應(yīng)有很大的影響。但文獻[11]在對比按鍵和計數(shù)條件下的NoGo-P3效應(yīng)時發(fā)現(xiàn)兩種情況都觀察到了前額區(qū)NoGo任務(wù)下P3的幅度大于Go任務(wù)下P3的幅度，這與文獻[6]的研究結(jié)果相矛盾，同時文獻[5]的研究結(jié)果也得出類似結(jié)論：按鍵和計數(shù)兩種情況都觀察到了前額區(qū)NoGo-P3效應(yīng)，而計數(shù)條件下的NoGo-P3效應(yīng)比按鍵條件弱，其原因是NoGo-P3效應(yīng)有少部分是來自于Go任務(wù)下的運動相關(guān)成份。實際上造成上述研究結(jié)果的不一致以及對NoGo-P3效應(yīng)解釋的分歧主要有以下3個可能的因素：

1) 刺激概率，無論是Go任務(wù)還是NoGo任務(wù)下的P3幅度都和刺激概率成負相關(guān)的關(guān)系[15]，從文獻[15]的研究結(jié)果可以看出，當刺激概率為75%時NoGo-P3效應(yīng)基本上消失了。文獻[6]采用的靶刺激概率為15%，文獻[5]采用的靶刺激概率為20%，文獻[11]采用的是等概率50%刺激。

2) Go任務(wù)下反應(yīng)時的差別。反應(yīng)時的長短與實驗任務(wù)的難度、刺激方式以及被試的精神狀態(tài)等因素有關(guān)[16]。反應(yīng)時長短以及反應(yīng)時的分布，都將影響運動相關(guān)成份在刺激引發(fā)的ERP上的疊加效果。文獻[6]的實驗中，對于不同的刺激概率平均反應(yīng)時是不一樣的(25%：434 ms；50%：401 ms；75%：373 ms)，文獻[10]使用體感刺激時得到的平均反應(yīng)時是216.7 ms，文獻[5]使用聽覺刺激得到的平均反應(yīng)時分別是434和535 ms?？梢钥闯霾煌瑢嶒灄l件下得到的反應(yīng)時差別是比較大的。

3) 在計數(shù)條件下被試的計數(shù)策略的差別。在按鍵條件下要求被試盡可能最快和最準確地做出行為反應(yīng)。和按鍵反應(yīng)不一樣，計數(shù)條件下被試沒有時間壓力，因此被試完成任務(wù)的策略也不一定是相同的，例如被試可以在靶刺激出現(xiàn)后立即計數(shù)，也可以等到下一個刺激來臨之前計數(shù)。很明顯這兩種計數(shù)方式的心理過程是不一樣的，因此會導致最終得到ERP波形的不一致。另外由于計數(shù)方式?jīng)]有外部行為表現(xiàn)，在實際實驗過程中不可能監(jiān)測到被試的計數(shù)策略，因此不同的計數(shù)策略下得到的NoGo效應(yīng)也可能是有差別的。

綜上所述，出現(xiàn)對NoGo-P3效應(yīng)解釋的廣泛爭論是因為缺乏運動相關(guān)成份是否影響NoGo-P3效應(yīng)最直接的證據(jù)。因此，只有從Go任務(wù)中恢復出真實的刺激引發(fā)的成份才能找到NoGo-P3效應(yīng)是否反映反應(yīng)抑制過程的直接證據(jù)。

另外，由于本文的實驗中靶和非靶刺激的概率都是50%，被試在實驗任務(wù)中對靶和非靶刺激投入的心理資源量是相等的，本文的研究從Go任務(wù)下直接疊加平均ERP中剝離運動成份后，Go任務(wù)和NoGo任務(wù)在后頂區(qū)的P3成份也沒有差別如(圖1和圖3)，該結(jié)果符合相關(guān)文獻報道：經(jīng)典P3主要分布在后頂區(qū)，它的幅度和刺激概率成負相關(guān)的關(guān)系，且P3的波幅與投入心理資源量成正比[17]。而直接迭加平均的結(jié)果顯示大腦后頂區(qū)的Go任務(wù)下的P3幅度比NoGo任務(wù)下的P3幅度大，這說明運動相關(guān)成份的疊加效果在后頂區(qū)依然存在。因此本文實驗采用刺激反應(yīng)成份分解方法能有效地去除經(jīng)典疊加平均方法中運動相關(guān)成份的干擾。

5 結(jié) 論

通過刺激、反應(yīng)成份分解算法從Go任務(wù)下ERP數(shù)據(jù)中恢復出真實的刺激引發(fā)的ERP成份，結(jié)果表明，NoGo-N2效應(yīng)反映了反應(yīng)抑制過程，而NoGo-P3效應(yīng)是來自運動相關(guān)成份的干擾，與反應(yīng)抑制過程無關(guān)。本文的結(jié)果是在等概率視覺刺激實驗條件下得到的，對于不同的刺激概率以及不同的刺激方式(聽覺，體感等)是否有相同的結(jié)論還需要進一步的研究論證。

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編 輯 黃 莘