注意力調(diào)控感覺信息處理的腦功能區(qū)研究

龔濤， 陳家英， 張麗， 胡理， 梁猛

注意力是指人的心理活動集中指向于某種事物的能力[1]。它是信息加工過程中一項重要的心理調(diào)節(jié)機制，能夠?qū)τ邢薜男畔①Y源進行分配整合，使感知具備選擇能力[2]。那么，注意力對外界傳入信息的調(diào)控過程所涉及的腦功能區(qū)有哪些？這一問題目前尚無明確共識。大量功能影像學研究已經(jīng)表明：對某種感覺輸入信息施加注意力，可以增強負責處理該感覺模態(tài)信息的模態(tài)特異性感覺皮層的神經(jīng)活動[3-5]，提示了與感覺刺激模態(tài)相對應的感覺皮層的神經(jīng)活動會受到注意力水平的調(diào)控。然而，感覺信息的處理還會涉及更高級的跨模態(tài)腦區(qū)[6-8]，這些高級跨模態(tài)腦區(qū)也可能參與注意力調(diào)控過程。以往的相關研究中大多采用單一感覺模態(tài)刺激[3-8]，而缺乏同一實驗中多種感覺模態(tài)受注意力調(diào)控的實驗證據(jù)。為此，我們利用功能磁共振(functional magnetic resonance imaging，fMRI)技術，在實驗中令同一被試分別在注意觸覺和視覺刺激條件下，接受3種不同感覺模態(tài)(觸、視、聽)的刺激，來考察不同感覺模態(tài)刺激所誘發(fā)的高級跨模態(tài)腦區(qū)的神經(jīng)活動是否參與感覺信息處理的注意力調(diào)控過程。

材料與方法

被試為23例健康成人，男11例、女12例，年齡19～26歲，母語為漢語，除一例被試為左利手外、其余均為右利手，視力或矯正視力在正常范圍。其中1例志愿者由于數(shù)據(jù)不全，未納入到后續(xù)的統(tǒng)計分析中。

本次實驗采用事件相關設計，共有三種不同模態(tài)(觸覺、視覺和聽覺)的感覺刺激。每種模態(tài)的刺激又分為標準和稀有兩種類型：標準和稀有觸覺刺激分別為30和20 Hz的電脈沖；標準和稀有視覺刺激分別為7.5和4.0 Hz閃爍的黑白棋盤格；標準和稀有聽覺刺激分別為800和750 Hz的純音刺激。每種刺激均持續(xù)500 ms。

實驗共包含6個組塊，每個組塊內(nèi)包含觸覺、視覺和聽覺刺激各10個，每種模態(tài)標準刺激和稀有刺激分別為8個和2個，刺激間隔時間為13、16和19 s，不同種類刺激和不同刺激間隔時間隨機呈現(xiàn)。被試的注意力水平通過如下方式調(diào)節(jié)：在3個組塊內(nèi)，要求被試注意區(qū)分標準和稀有兩種觸覺刺激，而忽略視覺和聽覺刺激，一旦稀有觸覺刺激出現(xiàn)，被試需要以盡可能快的速度按鍵；在另外3個組塊內(nèi)，要求被試注意區(qū)分標準和稀有兩種視覺刺激，而忽略觸覺和聽覺刺激，一旦稀有視覺刺激出現(xiàn)，被試同樣需要以盡可能快的速度按鍵。每個組塊開始前屏幕出現(xiàn)指令提示被試該組塊需要區(qū)分哪種模態(tài)的刺激。注意觸覺和注意視覺的組塊交替呈現(xiàn)，呈現(xiàn)順序在被試間均衡。

使用Siemens Trio 3.0T磁共振掃描儀和標準正交頭顱線圈。分別行橫軸面T1WI和T2*WI梯度回波序列平面回波成像(echo-planar imaging，EPI)。T1WI掃描參數(shù)：層厚1 mm，平面內(nèi)分辨率1 mm×1 mm；EPI掃描參數(shù)：TR 3 ms，TE 30 ms，層數(shù)41，層厚3.5 mm，視野192 mm×192 mm，矩陣64×64。

數(shù)據(jù)預處理使用MATLAB平臺DPARSFA軟件包。首先進行時間校正(Slice Timing)和頭動校正(Realign)，其中兩位被試的頭動平均相對位移(framewise displacement，F(xiàn)D)>0.3 mm，其數(shù)據(jù)被排除。然后進行空間標準化(Normalize)，將所有被試腦空間圖像配準到Montreal Neurological Institute(MNI)標準空間，并將體素大小重采樣為3 mm×3 mm×3 mm。最后采用半高全寬為8 mm的高斯核對圖像進行空間平滑(Smooth)。

將預處理所得數(shù)據(jù)在MATLAB平臺的SPM8軟件中進行后處理。建立一般線性模型(general linear model，GLM)做個體水平的統(tǒng)計學分析。模型中包含十二種實驗條件：2種注意條件(注意觸覺、注意視覺)×3種刺激模態(tài)(觸覺、視覺、聽覺)×2種刺激類型(標準、稀有)。模型中同時包含每種刺激條件所對應的血流動態(tài)響應函數(shù)的時間和寬度的導數(shù)以及6個頭動參數(shù)。根據(jù)本次研究目的共設計了2個t檢驗，分別對觸覺刺激和視覺刺激條件下注意力所調(diào)控的腦區(qū)進行比較和分析。

將個體水平的統(tǒng)計結果通過單樣本t檢驗進行組水平的統(tǒng)計分析，采用團塊水平的校正方法(family-wise error，F(xiàn)WE)對統(tǒng)計結果進行多重比較校正(團塊閾值定義為P<0.001，校正后P<0.05)，分別得到兩種條件下注意力所調(diào)控的腦區(qū)基于組水平的統(tǒng)計參數(shù)圖。進一步對上述閾值下得到的兩種條件組水平統(tǒng)計參數(shù)圖取交集，得到觸覺和視覺信息處理過程中注意力所調(diào)控的公共腦區(qū)。

結 果

1.觸覺信息處理受注意力調(diào)控的腦區(qū)

觸覺信息處理過程中受注意力調(diào)控的腦區(qū)及相關參數(shù)見表1。

表1 觸覺信息處理受注意力調(diào)控的腦區(qū)

圖1 注意觸覺刺激(相比于注意視覺刺激)時，fMRI偽彩圖顯示 觸覺刺激下激活增強(紅色)及減弱(藍色)的腦區(qū)。 圖2 注意視覺刺激(相比于注意觸覺刺激)時，fMRI偽彩圖顯示視覺刺激下激活增強(紅色)及減弱(藍色)的腦區(qū)。

當被試注意觸覺刺激時(相比于注意視覺刺激)，觸覺刺激激活增強的腦區(qū)有左側輔助運動區(qū)、右側前中扣帶回、左右側腦島、左右側額中回、左右側額下回、右側頂下小葉、左側小腦以及左側尾狀核；激活減弱的腦區(qū)有左側額上回、左右側顳中回以及左右側楔前葉(圖1)。

2.視覺信息處理受注意力調(diào)控的腦區(qū)

當被試注意視覺刺激時(相比于注意觸覺刺激)，視覺刺激下激活增強的腦區(qū)有左側輔助運動區(qū)、右側前中扣帶回、左側中央前回、左右側腦島、左右側額中回、右側額下回、左右側頂下小葉、左右側小腦以及左側尾狀核；激活減弱的腦區(qū)有左右側額上回、左右側顳中回、左右側楔前葉以及左側枕中回(表2、圖2)。

表2 視覺信息處理受注意力調(diào)控的腦區(qū)

3.觸覺和視覺信息處理受注意力調(diào)控的公共腦區(qū)

當某感覺模態(tài)刺激被注意時，該感覺模態(tài)刺激下激活增強的公共腦區(qū)有左右側額中回、右側額下回、右側頂下小葉、右側前中扣帶回、左右側腦島、左側尾狀核、左側輔助運動區(qū)和左側小腦；激活減弱的公共腦區(qū)有左側額上回、左右側顳中回和左右側楔前葉(圖3)。

4.注意力相關的聽覺刺激激活結果

本組實驗結果顯示聽覺刺激所誘發(fā)的神經(jīng)活動在兩種注意力條件下(注意觸覺刺激時和注意視覺刺激時)沒有顯著統(tǒng)計學差異，提示了整個實驗過程中對聽覺刺激的注意力水平并未改變。

討 論

在本研究中主要對觸覺信息處理和視覺信息處理受注意力調(diào)控的腦區(qū)進行了分析和觀察，結果顯示：不論是在觸覺信息處理還是在視覺信息處理的過程中，左右側額中回、右側額下回，右側頂下小葉、右側前中扣帶回、左右側腦島、左側尾狀核、左側輔助運動區(qū)以及左側小腦的神經(jīng)活動均受到注意力水平的調(diào)控。

注意力對大腦神經(jīng)活動的調(diào)控機制一直是人們關注的熱點問題[9-10]。頂葉及額葉在注意力對感覺信息的調(diào)控中發(fā)揮著至關重要的作用[11-12]。Mesulam提出了注意力定向模型，他認為頂葉與感覺信息的空間表達有關，外側額葉與空間刺激的運動反應有關，而前扣帶回與感覺刺激的動機突顯性有關。后來，Posner和Petersen將注意力模型進一步分為前注意系統(tǒng)和后注意系統(tǒng)：前注意系統(tǒng)與刺激目標的檢測與覺察有關，在該系統(tǒng)中前扣帶回發(fā)揮著重要作用；后注意系統(tǒng)與感覺刺激在視覺空間中的定位有關，在該系統(tǒng)中后頂葉皮層和丘腦發(fā)揮著重要作用[13]。這些結果與本研究中所發(fā)現(xiàn)的部分腦區(qū)激活情況相吻合。

圖3 fMRI偽彩圖顯示激活增強的腦區(qū)(呈黃色和紅色)有左右側額中回、右側額下回、右側頂下小葉、右側前中扣帶回、左右側腦島、左側尾狀核、左側輔助運動區(qū)以及左側小腦；激活減弱的腦區(qū)(呈藍色和綠色)有左側額上回和左右側顳中回。

此外，一些動物實驗發(fā)現(xiàn)，注意力可以增強神經(jīng)元對感覺刺激的編碼信息，從而可增加動物的感知敏感性[15]。對嚙齒類動物的研究發(fā)現(xiàn)，注意力可以使對感覺信息進行編碼的神經(jīng)元之間的γ波趨于同步，進而潛在地實現(xiàn)增強信號的功效[16-17]。注意力對感覺信息處理的調(diào)控作用，通過前扣帶回對目標感覺信息進行覺察和識別，并通過頂葉對感覺信息進行注意力定位[18]。還有學者在研究中發(fā)現(xiàn)，空間選擇性注意力在感覺信息處理的早期和晚期可以通過高級大腦皮層的反饋來進一步增強初級軀體感覺皮層的神經(jīng)活動[3]，其中涉及到的高級大腦皮層包括額葉、頂葉及前扣帶回等腦區(qū)。頂葉和前扣帶回主要完成對感覺信息的注意力選擇[13]，注意力使被選擇的感覺信息的編碼及傳導增強[19]。

本組研究結果顯示，負責注意力對感覺信息所引起的神經(jīng)活動進行調(diào)控的腦區(qū)還包括腦島、小腦、尾狀核及輔助運動區(qū)。既往有研究結果顯示，觸覺刺激所誘發(fā)的腦島神經(jīng)活動會隨著注意力水平的提高而增強[6]。在處理強突顯性刺激時，右側前腦島與突顯網(wǎng)絡中其它腦區(qū)的功能連接增強，說明右側前腦島與突顯性信息的處理有關[20]。所以，我們推測腦島在感覺信息處理的注意力調(diào)控中所起的作用可能與感覺信息的突顯性改變有關。另有研究結果顯示，小腦受損傷的患者較正常人在聽覺和視覺之間轉移注意力時存在障礙，提示小腦與注意力在不同感覺模態(tài)之間的轉移有關[21]。本組研究結果還顯示，尾狀核和輔助運動區(qū)也參與到注意力對感覺信息處理的調(diào)控過程，但目前相關研究較少，仍需進一步的研究來證實其在注意力調(diào)控中所擔負的具體功能。

本組研究結果初步發(fā)現(xiàn)了感覺信息處理過程中與注意力調(diào)控有關的腦功能區(qū)，為進一步深入理解注意力對神經(jīng)活動的調(diào)控機制提供了功能影像學的實驗證據(jù)，同時也可為注意力損傷相關疾病的病理機制研究提供幫助。

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