注意抑制的認(rèn)知神經(jīng)機(jī)制探究
——一項(xiàng)ERP研究

陳亮亮，于海琴

（華中科技大學(xué)教育科學(xué)研究院，湖北武漢430074）

注意是心理學(xué)領(lǐng)域內(nèi)經(jīng)久不衰的研究熱點(diǎn)，其包含注意的定向、維持、解除以及轉(zhuǎn)移等多種成分[1]。注意存在兩種重要的內(nèi)在機(jī)制：一種是對(duì)相關(guān)信息的選擇和注意偏向，即易化過(guò)程；另一種是對(duì)無(wú)關(guān)信息的忽略和過(guò)濾機(jī)制，即抑制過(guò)程。注意抑制是個(gè)體在對(duì)外界信息進(jìn)行選擇和加工以及激活的過(guò)程中，對(duì)其中的無(wú)關(guān)信息進(jìn)行忽略和過(guò)濾以及排斥的神經(jīng)機(jī)制。當(dāng)前有關(guān)注意的研究大多數(shù)都集中在注意的易化過(guò)程，即對(duì)相關(guān)信息的選擇和激活，而對(duì)于注意抑制的研究則相對(duì)較少。但注意抑制在注意的功能方面具有重要的作用，比如抑制還可以把工作記憶的內(nèi)容限定在與任務(wù)有關(guān)的信息，從而提高對(duì)目標(biāo)信息的加工[2]；抑制是執(zhí)行功能的重要組成部分，是工作記憶的重要功能之一，直接影響著認(rèn)知的加工效果；同時(shí)也是個(gè)體認(rèn)知加工及行為產(chǎn)生的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是執(zhí)行功能操作過(guò)程展開(kāi)的首要條件[3]。

注意抑制是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域，但國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此的研究并不充分，有一些關(guān)于注意抑制方面的問(wèn)題還沒(méi)有弄清楚，比如注意抑制的腦電特征是怎樣的，哪些大腦部位對(duì)注意抑制起著重要作用，他們是如何影響個(gè)體注意的抑制功能的等。這是本文重點(diǎn)探究的內(nèi)容。

1 研究對(duì)象和研究方法

1.1 研究對(duì)象

選取某高校16名大學(xué)生參加實(shí)驗(yàn)（男生5名，女生11名），被試均為自愿參加；所有被試視力或矯正視力正常,無(wú)色盲及色弱，軀體和神經(jīng)系統(tǒng)檢查均正常，均為右利手；被試年齡18～22歲；所有參與實(shí)驗(yàn)的被試在此之前沒(méi)有參加過(guò)該類(lèi)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后被試會(huì)獲得一定的酬勞。

1.2 實(shí)驗(yàn)范式及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用ERP技術(shù)和STROOP范式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。這是因?yàn)镋RP采用心理和生理指標(biāo)相結(jié)合的測(cè)試方法，不僅可以給出信息輸入與行為輸出之間加工過(guò)程的信息，而且也可以得到ERP各成分的潛伏期與幅值及其在頭皮的分布，解釋神經(jīng)細(xì)胞群活動(dòng)機(jī)理，從而更準(zhǔn)確有效地評(píng)價(jià)腦功能狀態(tài)[4]，有助于幫助我們觀察到注意抑制這一認(rèn)知加工過(guò)程的腦電活動(dòng)。

為了更好地達(dá)成實(shí)驗(yàn)?zāi)康模狙芯坎捎肧TROOP范式的變式——情緒STROOP范式。刺激詞匯有兩種屬性：詞匯顏色（紅色和藍(lán)色）、詞匯意義（威脅詞和中性詞），要求被試忽略詞匯的意義而對(duì)詞匯的顏色做出判斷并快速反應(yīng)。

采用單因素完全被試內(nèi)設(shè)計(jì)。其中，自變量為刺激的性質(zhì)（中性刺激和威脅刺激），行為實(shí)驗(yàn)的因變量為被試的反應(yīng)時(shí)和正確率，腦電實(shí)驗(yàn)的因變量為ERP的波幅和潛伏期。

1.3 實(shí)驗(yàn)材料及工具

選取前人評(píng)定的詞匯庫(kù)作為實(shí)驗(yàn)材料。威脅詞和中性詞各15個(gè)，平衡了其熟悉度和筆畫(huà)，研究表明中性詞匯和威脅詞匯在威脅性上差異顯著。實(shí)驗(yàn)用不同的顏色（紅色和藍(lán)色）去書(shū)寫(xiě)威脅詞匯和中性詞匯，然后讓被試對(duì)不同的顏色進(jìn)行按鍵反應(yīng)。

采用事件相關(guān)電位在線記錄與離線分析工具。其中，采集數(shù)據(jù)用Neuroscan便攜式40導(dǎo)電極帽：40導(dǎo)電極帽對(duì)被試整個(gè)實(shí)驗(yàn)階段進(jìn)行腦電數(shù)據(jù)采集記錄，單極采集腦電數(shù)據(jù)，離線分析時(shí)轉(zhuǎn)為雙極，以左耳乳突為參考電極。為了監(jiān)控眼動(dòng)，在雙眼外側(cè)1.5 cm處安置電極記錄水平眼電（HEOG），同時(shí)在左眼上下1.5 cm處安置電極記錄垂直眼電（VEOG），每個(gè)電極處的頭皮電阻保持在5 kΩ以下。選用DC（0.05～100 Hz）放大器，濾波帶通為0.05～80 Hz，采樣頻率為1 000 Hz/導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)中采集腦電數(shù)據(jù)的同時(shí)利用E-Prime程序記錄行為數(shù)據(jù)。分析數(shù)據(jù)用Neuroscan4.3軟件離線分析工具。

1.4 研究任務(wù)及程序

E-prime軟件編制實(shí)驗(yàn)程序，刺激呈現(xiàn)以及相關(guān)的反應(yīng)時(shí)均由計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄，呈現(xiàn)刺激的顯示器為lenovo17寸彩屏，所有的刺激均呈現(xiàn)于屏幕中央。受試者佩戴40導(dǎo)便攜式ERP電極帽，要求對(duì)隨機(jī)出現(xiàn)的威脅詞匯和中性詞匯進(jìn)行準(zhǔn)確的色詞判斷并記錄其腦電；要求被試以舒適的狀態(tài)坐在距顯示屏70 cm處，并告訴被試不要晃動(dòng)身體和眨眼，左右手食指分別放在“z”和“m”兩鍵上進(jìn)行按鍵反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)分練習(xí)實(shí)驗(yàn)和正式實(shí)驗(yàn)兩個(gè)階段。練習(xí)程序前會(huì)呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)語(yǔ)，要求被試認(rèn)真閱讀指導(dǎo)語(yǔ)，之后開(kāi)始進(jìn)行練習(xí)實(shí)驗(yàn)；被試了解和熟悉了實(shí)驗(yàn)的程序和要求后，進(jìn)入正式實(shí)驗(yàn)。正式程序開(kāi)始后屏幕中央呈現(xiàn)刺激詞匯，要求被試在看到刺激詞匯時(shí)快速而準(zhǔn)確地對(duì)詞匯的顏色做出反應(yīng)，而忽略詞義；刺激詞匯的顏色為紅色和藍(lán)色，被試按相應(yīng)鍵對(duì)刺激詞匯做出反應(yīng)；按鍵后刺激詞匯消失，出現(xiàn)空屏，空屏的時(shí)間在1 000～2 000 ms之間隨機(jī)；接下來(lái)進(jìn)入下一試次。一個(gè)循環(huán)過(guò)程，見(jiàn)圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖

威脅詞匯和中性詞匯各15個(gè)，以2號(hào)宋體呈現(xiàn)在灰色背景上，每個(gè)詞匯分別以藍(lán)色或紅色各出現(xiàn)兩次，共120次，即120個(gè)Trial，其中練習(xí)有10個(gè)Trial，刺激隨即呈現(xiàn)，并平衡左右手。當(dāng)被試做完實(shí)驗(yàn)，程序會(huì)自動(dòng)停止并保存數(shù)據(jù)。最后查看結(jié)果，進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)整理和統(tǒng)計(jì)分析。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

行為數(shù)據(jù)處理的是E-prime程序所記錄的反應(yīng)時(shí)和正確率。在數(shù)據(jù)處理時(shí)未反應(yīng)與反應(yīng)錯(cuò)誤的Trail將被剔除，先用Excel 2016對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，最終的行為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)SPSS 20.0處理。

對(duì)EEG數(shù)據(jù)進(jìn)行離線分析。分析時(shí)程為每個(gè)刺激呈現(xiàn)前200 ms至刺激呈現(xiàn)后的1 000 ms，波峰大于±100 μV的被視為偽跡而自動(dòng)剔除。對(duì)任務(wù)中正確反應(yīng)的EEG進(jìn)行疊加，每種條件平均疊加次數(shù)均在50次以上。根據(jù)研究目的和總平均圖，選取以下9個(gè)電極的數(shù)據(jù)用于統(tǒng)計(jì)分析：F3、FZ、F4、C3、CZ、C4、P3、PZ、P4。本研究主要測(cè)量和分析N1、P2、P300等有關(guān)注意抑制的典型成分，根據(jù)總平均圖，分別選取時(shí)間窗口為：50～150 ms（N1），100～300 ms（P2），300～500 ms（P300），測(cè)量 N1、P2 和P300成分的潛伏期和波幅。最終數(shù)據(jù)采用SPSS 20.0根據(jù)不同腦區(qū)進(jìn)行3（前后分區(qū)）×3（左右分區(qū)）×2（刺激條件）的重復(fù)測(cè)量方差分析。

2 結(jié)果及討論

2.1 行為結(jié)果及討論

對(duì)被試的反應(yīng)時(shí)和正確率做配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，見(jiàn)表1。

表1 被試反應(yīng)時(shí)和正確率差異（M±SD）

由于實(shí)驗(yàn)程序，有1個(gè)行為數(shù)據(jù)遭到損壞，故剔除該數(shù)據(jù)，對(duì)15個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。表1顯示：（1）在威脅刺激的條件下，被試反應(yīng)的正確率要低于在中性刺激條件下反應(yīng)的正確率；兩種刺激條件下的正確率不存在顯著差異。（2）在威脅刺激條件下被試的反應(yīng)時(shí)要比中性刺激條件下的反應(yīng)時(shí)的短；兩種刺激下的反應(yīng)時(shí)也無(wú)顯著差異。

這一結(jié)果說(shuō)明：相對(duì)于中性刺激，被試對(duì)威脅刺激更加敏感，反應(yīng)更快，但正確率也相對(duì)較低。

在本實(shí)驗(yàn)中，對(duì)反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生影響的主要是主觀因素。被試的身心狀態(tài)、注意和準(zhǔn)備狀態(tài)、動(dòng)機(jī)和態(tài)度等都會(huì)影響實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，尤其是這種對(duì)反應(yīng)時(shí)的測(cè)驗(yàn)，細(xì)微的偏差都會(huì)造成極大的誤差。對(duì)正確率影響較大的因素主要是刺激的材料。在實(shí)驗(yàn)中，被試經(jīng)過(guò)認(rèn)知矛盾以及判斷的過(guò)程，能夠檢驗(yàn)出其在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的心理過(guò)程和認(rèn)知機(jī)制。對(duì)正確率的分析，反映了對(duì)敏感刺激的注意偏向和對(duì)不敏感刺激的反應(yīng)抑制，是注意抑制機(jī)制的機(jī)能過(guò)程。

2.2 腦電結(jié)果及討論

潛伏期和波幅是腦電特征的兩個(gè)重要指標(biāo)。其中，潛伏期的大小反映的是大腦加工速度的快慢，波幅大小反應(yīng)的是大腦活動(dòng)的強(qiáng)弱；對(duì)潛伏期和波幅的分析有助于揭示腦電活動(dòng)的內(nèi)在機(jī)制。趙侖認(rèn)為，事件相關(guān)電位比傳統(tǒng)心理學(xué)反應(yīng)時(shí)和錯(cuò)誤率的指標(biāo)揭示的認(rèn)知過(guò)程更加明確：分析其潛伏期，可以估計(jì)加工事件的時(shí)間進(jìn)程；分析其波幅，可以估計(jì)信息加工時(shí)的心理過(guò)程強(qiáng)度；分析其頭皮分布，可以估計(jì)對(duì)刺激加工起作用的腦內(nèi)源。為探究注意抑制的認(rèn)知神經(jīng)機(jī)制，本研究對(duì)ERP進(jìn)行了全腦分析，并重點(diǎn)分析了N1、P2、P300等ERP成分。

被試在兩種刺激條件下ERP的總平均圖，見(jiàn)圖2。可以看到，在兩種條件下均誘發(fā)了明顯的N1、P2和P300成分，且在威脅刺激條件下誘發(fā)的腦電波幅均要大于中性刺激條件下的波幅。根據(jù)波形圖：N1成分在中前部所誘發(fā)的波形更為明顯，可以推測(cè)N1主要分布于大腦的額區(qū)和頂區(qū)；P2成分在前部誘發(fā)的波形最為顯著，越往后其波幅越小，說(shuō)明P2主要分布在大腦的額區(qū)；P300成分在大腦的后區(qū)最為明顯，而在前區(qū)和中區(qū)則相對(duì)不明顯，說(shuō)明P300成分主要分布于頂枕區(qū)和部分額區(qū)。中性刺激誘發(fā)的腦電波幅均要小于威脅刺激的波幅，說(shuō)明被試需要投入更多的認(rèn)知資源對(duì)威脅刺激造成的干擾進(jìn)行抑制，本研究認(rèn)為這是注意抑制的神經(jīng)機(jī)制。

圖2 被試ERPs的總平均波形圖

2.2.1 N1成分

N1是在刺激呈現(xiàn)后的100 ms左右出現(xiàn)的負(fù)相波，潛伏期一般在50～150 ms。觀察總波形圖，發(fā)現(xiàn)在這個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)誘發(fā)了較為明顯的N1成分。對(duì)兩種刺激條件下的N1成分的波幅和潛伏期做3（前后分區(qū)）×3（左右分區(qū)）×2（刺激條件）的重復(fù)測(cè)量反差分析，見(jiàn)表2。

表2 N1成分的重復(fù)測(cè)量方差分析

結(jié)果表明，兩種刺激條件所誘發(fā)的N1成分在潛伏期上的刺激條件主效應(yīng)、前后分區(qū)主效應(yīng)以及左右分區(qū)主效應(yīng)均不顯著。同時(shí)，刺激條件和前后分區(qū)以及左右分區(qū)的交互作用也不顯著，前后分區(qū)和左右分區(qū)的交互作用都不顯著。兩種刺激所誘發(fā)的N1在波幅上的刺激條件主效應(yīng)和前后分區(qū)主效應(yīng)均不顯著；而N1成分在波幅上的左右分區(qū)主效應(yīng)卻十分顯著。同時(shí)，刺激條件和前后分區(qū)以及左右分區(qū)的交互作用也不顯著，而前后分區(qū)和左右分區(qū)的交互作用則十分顯著，三者之間的交互作用也不顯著。

N1是ERP成分的早期經(jīng)典成分，可能與刺激的物理屬性有關(guān)，反映了對(duì)視覺(jué)刺激加工過(guò)程中神經(jīng)的活動(dòng)情況，這是初級(jí)感知覺(jué)的ERP成分，具有廣泛性、早期性特點(diǎn)。此外，N1成分屬于視覺(jué)刺激誘發(fā)的早期成分，反映的是對(duì)注意位置的刺激的加工的增強(qiáng)機(jī)制[5]。有研究顯示，N1代表對(duì)感覺(jué)信息的早期注意加工[6]。在兩種刺激條件下，被試對(duì)于威脅刺激更加敏感，因此威脅刺激的波幅更大，對(duì)其加工的強(qiáng)度也就越大；更大的波幅表明，被試對(duì)威脅刺激投入了更多的注意資源。因此，N1成分在兩種刺激下的波幅存在差異。N1成分在前區(qū)和中區(qū)的波幅更加明顯，說(shuō)明早期成分的注意抑制的神經(jīng)機(jī)制就在大腦的前區(qū)和中區(qū)，代表腦區(qū)就是額葉和頂葉。方差分析顯示N1成分在潛伏期上的各個(gè)主效應(yīng)均不顯著，變量間的交互作用也不顯著；而其波幅在左右分區(qū)主效應(yīng)上有顯著差異，描述統(tǒng)計(jì)的結(jié)果顯示中性刺激在左區(qū)的波幅均要大于右邊，說(shuō)明注意抑制的機(jī)制在額葉和頂葉的左部分比較明顯。

2.2.2 P2成分

P2成分是在200 ms左右達(dá)到峰值的正相波，其潛伏期一般是在100～300 ms之間。在總波形圖中，兩種刺激條件均誘發(fā)了較為明顯的P2成分，在大腦中區(qū)和前區(qū)更加明顯。對(duì)P2成分的潛伏期和波幅進(jìn)行3（前后分區(qū)）×3（左右分區(qū)）×2（刺激條件）的重復(fù)測(cè)量方差分析，見(jiàn)表3。

結(jié)果顯示，在中性刺激和威脅刺激兩種刺激條件下的潛伏期在刺激條件主效應(yīng)和左右分區(qū)主效應(yīng)上無(wú)顯著差異，同時(shí)在左右腦區(qū)也無(wú)明顯差異；而在前后分區(qū)交互效應(yīng)上卻存在顯著的差異。同時(shí)，刺激條件、前后分區(qū)和左右分區(qū)三個(gè)變量?jī)蓛芍g和三者之間的交互作用也不顯著。兩種刺激條件下的P2成分的波幅在左右分區(qū)主效應(yīng)存在顯著差異，在刺激條件和前后分區(qū)主效應(yīng)上卻無(wú)顯著差異。在交互作用上，只有前后分區(qū)和左右腦區(qū)兩個(gè)變量間存在顯著差異，而其他的變量間均無(wú)顯著差異。

表3 P2成分的重復(fù)測(cè)量方差分析

P2是一個(gè)中期成分，可能與刺激的物理屬性有關(guān)。研究顯示，P2與早期抑制加工有關(guān)，即在感覺(jué)輸入過(guò)程中，抑制其他通道無(wú)關(guān)信息的加工。在情緒與注意加工偏向的ERP時(shí)程研究中，P2成分主要探討負(fù)性情緒信息加工中發(fā)生時(shí)間較早的注意偏向[7]。另有研究發(fā)現(xiàn)，P2在不同個(gè)體上表現(xiàn)出差異的原因可能是抑制能力的差異造成的。根據(jù)總平均圖，可看到中性刺激的波幅略小于威脅刺激；同時(shí)在大腦前部所誘發(fā)的P2成分更為明顯，說(shuō)明P2的主要成分在大腦的額葉。方差分析表明，P2成分的潛伏期在前后分區(qū)主效應(yīng)上有顯著差異，描述統(tǒng)計(jì)也顯示了一致的結(jié)果，即大腦前部的潛伏期均要大于中部和后部；描述統(tǒng)計(jì)的結(jié)果也支持了這一結(jié)果。P2的波幅在左右分區(qū)主效應(yīng)上也有顯著差異，結(jié)合描述統(tǒng)計(jì)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)在右區(qū)的波幅更大，說(shuō)明P2在右額葉更加明顯。

2.2.3 P300成分

P300是在刺激呈現(xiàn)的300 ms左右出現(xiàn)的波幅最大的正波，潛伏期一般在300～500 ms之間。觀察總平均波形圖發(fā)現(xiàn)，本次實(shí)驗(yàn)也誘發(fā)了明顯的P300成分，而且在大腦后區(qū)更為明顯。對(duì)P300的潛伏期和波幅進(jìn)行3（前后分區(qū)）×3（左右分區(qū)）×2（刺激條件）重復(fù)測(cè)量方差分析，見(jiàn)表4。

結(jié)果顯示，在兩種刺激條件下，其誘發(fā)的P300成分的潛伏期在刺激條件、前后分區(qū)和左右分區(qū)三個(gè)主效應(yīng)上均無(wú)顯著性差異；同時(shí)，三個(gè)變量?jī)蓛芍g以及三者之間的交互作用也均無(wú)顯著差異。不同刺激條件誘發(fā)的P3成分的波幅在左右分區(qū)主效應(yīng)和刺激條件主效應(yīng)上均不存在顯著的差異；但是在前后分區(qū)主效應(yīng)上卻存在顯著差異。在交互作用上，只有前后分區(qū)和左右分區(qū)兩個(gè)變量間存在顯著的差異，其他的變量之間均無(wú)顯著的差異。

表4 P300成分的重復(fù)測(cè)量方差分析

P300是一個(gè)與心理因素相關(guān)的內(nèi)源性成分。研究表明，P300可以持續(xù)到800 ms左右，較少受到刺激表明物理性質(zhì)的影響，與人類(lèi)高級(jí)心理活動(dòng)密切相關(guān)[8]。研究發(fā)現(xiàn)，P300不是一個(gè)單純的成分，其腦內(nèi)源不止一個(gè)，與多種認(rèn)知加工有關(guān)。另有研究指出，P300與大腦的抑制加工有關(guān)，當(dāng)新刺激出現(xiàn)時(shí)，大腦抑制無(wú)關(guān)信息的加工，同時(shí)把注意集中到目標(biāo)刺激上[9]，這在本研究中也得到了證實(shí)。根據(jù)總波形圖，可看到中性刺激在大腦的中后區(qū)特別是后區(qū)所誘發(fā)的P300成分波幅較大，說(shuō)明大腦的中后區(qū)可能與注意抑制有關(guān)，其中在部分額區(qū)和頂枕區(qū)的分布更為明顯。方差分析表明，P300成分的潛伏期的各個(gè)主效應(yīng)和交互作用均不顯著，而波幅在前后分區(qū)的主效應(yīng)上則有顯著差異，與描述統(tǒng)計(jì)的結(jié)果一致，說(shuō)明P300在大腦的后區(qū)分布比較明顯，尤其是在額葉部分腦區(qū)和頂枕區(qū)。

3 結(jié)論

（1）注意抑制加工會(huì)產(chǎn)生N1、P2和P300共3種ERP成分。

（2）相較于中性刺激，被試對(duì)威脅刺激的敏感性更高。

（3）被試的反應(yīng)時(shí)和正確率在威脅刺激和中性刺激條件下具有一定的差異，但差異不顯著；不同腦區(qū)在兩種刺激下的潛伏期和波幅具有一定的差異，但差異不顯著。