空間注意在視聽覺信息處理中的調(diào)控機(jī)制研究△

林萌 王松建 李春林 張娟 王寧宇 屈晶晶 張旭

人類的大腦時(shí)刻在接受外界的各種信息，在日常生活中，感官暴露在大量且嘈雜的外部信息中，獲得的信息約有94%來源于視覺、聽覺兩種感官通道[1]，而視覺和聽覺通道的信息往往是冗余的(可能是互補(bǔ)的)[2, 3]。視覺和聽覺作為人類接收外界信息最重要的兩個(gè)渠道，在認(rèn)知過程中發(fā)揮了重要作用。視聽交互作用并不總是發(fā)生，大腦需要調(diào)控和整合來自視覺和聽覺的信息，從而對(duì)意識(shí)和行為進(jìn)行判斷[4]。注意是人腦對(duì)客觀事物的指向和集中，注意功能決定了人腦對(duì)信息的選擇，選擇可以基于人的主觀意圖，自上而下地進(jìn)行，也可以通過特定的刺激在沒有自愿控制的情況下驅(qū)動(dòng)注意力的轉(zhuǎn)移，以自下而上的方式進(jìn)行。在某些情況下，同時(shí)發(fā)生的不同形式的刺激可以被預(yù)先注意，并自動(dòng)地以自下而上的方式產(chǎn)生多感覺整合;不同注意條件下人腦信息處理的機(jī)理不同，空間信息又是影響視聽信息整合的主要因素。選擇性注意是指?jìng)€(gè)體在同時(shí)呈現(xiàn)的多種外界刺激中選擇一種而忽略其他的過程,大腦可以接受來自各個(gè)感覺器官的不同刺激，然后分配注意力;注意的分配決定了大腦從接受外界刺激到處理有用信息的速度和效率[5]。

相關(guān)研究表明，大腦前額葉皮層在注意調(diào)控上起著重要的作用[6],后頂葉皮層也在調(diào)控注意力轉(zhuǎn)換過程中起到了一定作用。通過功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging, fMRI)研究視覺和聽覺間注意力轉(zhuǎn)移時(shí)的大腦活動(dòng)，發(fā)現(xiàn)前額葉皮層和后頂葉皮層在注意轉(zhuǎn)移過程中活動(dòng)增強(qiáng)，在保持注意力的狀態(tài)下活動(dòng)減弱；在保持某一感官注意力的時(shí)候，相應(yīng)感官皮層區(qū)的活動(dòng)也增強(qiáng)[7]?？梢哉f，大腦對(duì)選擇性注意的調(diào)控是一個(gè)整體的整合過程。

以往的研究通常集中于注意調(diào)控的雙通道視聽整合的腦機(jī)制，但對(duì)于注意在單雙通道下分別對(duì)視聽覺信息調(diào)控的腦機(jī)制尚不清楚。本研究利用任務(wù)態(tài)fMRI技術(shù)，通過對(duì)受試者進(jìn)行視聽覺選擇性空間注意實(shí)驗(yàn)任務(wù)，比較注意力在視、聽覺空間信息分配處理過程中，單雙通道分配外界信息時(shí)的腦活動(dòng)差異。

1 資料與方法

1.1研究對(duì)象 研究對(duì)象為25例健康的右利手男性，年齡21～26歲,視力(或矯正視力)≥1.0，純音聽閾在正常范圍(雙耳0.25、0.5、1、2和4 kHz氣導(dǎo)閾值≤20 dB HL)，鼓室導(dǎo)抗圖均為A型，聲反射閾均可引出。該研究由北京大學(xué)健康科學(xué)中心倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，每位受試者均簽訂了書面知情同意書。

1.2實(shí)驗(yàn)儀器和材料 在計(jì)算機(jī)上生成視覺和聽覺刺激，并在MRI掃描期間通過定制的、核磁兼容的視聽系統(tǒng)(以聲音的舒適閾)呈現(xiàn)給受試者。為了衰減伴隨fMRI掃描的聲學(xué)噪聲，使用隔音耳罩，聽覺刺激通過導(dǎo)氣管呈現(xiàn)給受試者。采用Presentation 22.0軟件(http://www.neurobs.com/)呈現(xiàn)聽覺和視覺刺激，視聽刺激包括作為視覺部分的十字標(biāo)志和作為聽覺部分的白噪聲(20～20 000 Hz)，通過耳間強(qiáng)度差(interaural level difference，ILD)用于產(chǎn)生側(cè)向聽覺感知。

1.3任務(wù)態(tài)fMRI檢查方法 基于Posner范式研究注意力調(diào)節(jié)視聽覺空間信息處理的過程。在這種范式中，中央菱形左側(cè)或右側(cè)呈現(xiàn)高亮作為提示，指導(dǎo)受試者的注意力。高亮消失后，在左右任一側(cè)方框內(nèi)隨機(jī)呈現(xiàn)目標(biāo)刺激，目標(biāo)刺激出現(xiàn)在先前線索化的空間位置為有效線索(valid cues)，目標(biāo)刺激出現(xiàn)在先前沒有線索化的空間位置為無效線索(invalid cues)。為了保證受試者將注意指向線索化的空間位置，有效線索任務(wù)與無效線索任務(wù)的比例為4∶1。通常，對(duì)出現(xiàn)在提示位置上的目標(biāo)刺激的響應(yīng)要快于對(duì)未提示位置上的目標(biāo)刺激的響應(yīng)，這被稱為提示效果。

利用同時(shí)呈現(xiàn)的視覺或聽覺刺激構(gòu)成四組任務(wù)(圖1a)：視覺注意任務(wù)(Va)、聽覺注意任務(wù)(Av)、單獨(dú)視覺任務(wù)(V)和單獨(dú)聽覺任務(wù)(A)，其中，Va和Av為雙通道刺激，要求受試者注意力集中在視覺或聽覺通道，忽略另一個(gè)通道的干擾；V和A為單通道刺激。在所有任務(wù)中，要求受試者注意目標(biāo)刺激，忽略與任務(wù)無關(guān)的刺激(圖1b)，視覺空間提示用于將受試者的注意力引向兩個(gè)可能的目標(biāo)位置(左側(cè)或右側(cè))之一；提示與目標(biāo)任務(wù)發(fā)生之間的時(shí)間間隔為300或1 500 ms，目標(biāo)任務(wù)可以是視覺刺激或聽覺刺激。視覺目標(biāo)任務(wù)以相同的百分比顯示在屏幕的左側(cè)或右側(cè)，并且聽覺刺激(即白噪聲)來自耳機(jī)的一側(cè)；視覺空間提示的顯示時(shí)間為100 ms，中央菱形的一半以箭頭指示，指向左或向右，以進(jìn)行空間注意任務(wù)。

采用事件相關(guān)fMRI設(shè)計(jì)，正式檢查開始之前向受試者解釋相關(guān)內(nèi)容。每例受試者需完成4組任務(wù)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)條件包括30個(gè)事件。為了引導(dǎo)受試者專注于特定的目標(biāo)刺激，屏幕中心顯示任務(wù)類型(Va、Av、V或A)。要求受試者在任務(wù)期間按下右(或左)反應(yīng)鍵對(duì)目標(biāo)通道的位置進(jìn)行判斷，并記錄錯(cuò)誤率。控制任務(wù)(圖1c)用作fMRI分析的基線，在控制任務(wù)期間，內(nèi)圓的左半部或右半部在計(jì)算機(jī)屏幕上的機(jī)會(huì)均等，要求受試者按下對(duì)應(yīng)方向的反應(yīng)按鍵。控制任務(wù)通過提示檢測(cè)和目標(biāo)檢測(cè)排除大腦區(qū)域的激活，并消除按鍵對(duì)大腦激活的影響。將反應(yīng)時(shí)間(reaction time, RT)定義為從目標(biāo)事件開始到受試者按下反應(yīng)鍵使用的時(shí)間，有效試驗(yàn)的RT用于分析。

圖1 任務(wù)態(tài)fMRI流程示意圖 a.4種任務(wù)類型的目標(biāo)通道及干擾；b.以Va任務(wù)為例的實(shí)驗(yàn)流程；c.控制任務(wù)的實(shí)驗(yàn)流程

MRI掃描參數(shù)：使用帶有32通道頭部線圈的3T Siemens Trio MRI掃描儀對(duì)任務(wù)態(tài)激活進(jìn)行成像。實(shí)驗(yàn)采用功能梯度平面回波成像(echo planar imaging , EPI)序列采集32個(gè)軸向切片(像素大小為1.8×1.8×3.9 mm3，重復(fù)時(shí)間為4 000 ms，回波時(shí)間為50 ms，翻轉(zhuǎn)角為90°，矩陣大小為128×128)。每例受試者獲得124個(gè)功能圖像。

1.4統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS(SPSS 22.0 for Windows, IBM, New York, USA)中的重復(fù)測(cè)量方差分析(Tukey檢驗(yàn))對(duì)每組任務(wù)的RT進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

對(duì)于功能圖像的每個(gè)任務(wù)，舍棄前4個(gè)信號(hào)不穩(wěn)定的圖像以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。數(shù)據(jù)預(yù)處理和統(tǒng)計(jì)分析均使用基于MATLAB(The MathWorks)環(huán)境的SPM12(http://www.fil.ion.ucl HYPERLINK"http://www.fil.ion.ucl".ac.uk/spm/software/spm12/)工具箱進(jìn)行。預(yù)處理內(nèi)容包括時(shí)間層矯正、頭動(dòng)校正、標(biāo)準(zhǔn)腦模板配準(zhǔn)、空間標(biāo)準(zhǔn)化和濾波平滑，對(duì)預(yù)處理之后的結(jié)果進(jìn)行一般線性模型(general linear model，GLM)分析，得到每例受試者的統(tǒng)計(jì)參數(shù)圖。

二階分析(組分析)使用雙因素方差分析(two-way ANOVA)估計(jì)注意力在單雙通道視聽覺空間信息分配處理時(shí)腦活動(dòng)間的差異，將單、雙通道和視覺、聽覺刺激分別作為兩個(gè)因素，對(duì)25例對(duì)象進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。在體素水平上，顯著性的閾值選為P<0.001[8]。根據(jù)差異激活的結(jié)果，選取半徑為8 mm的感興趣區(qū)(region of interest，ROI)。

為了進(jìn)一步評(píng)估4種任務(wù)之間腦區(qū)信號(hào)變化的差異，使用AAL90腦模板，獲得個(gè)體水平統(tǒng)計(jì)分析產(chǎn)生的ROI內(nèi)信號(hào)變化平均值，對(duì)每個(gè)ROI中得到的25例對(duì)象的信號(hào)變化值使用SPSS22.0進(jìn)行重復(fù)測(cè)量方差分析，采用Tukey檢驗(yàn)對(duì)信號(hào)變化值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1受試者視、聽覺任務(wù)單雙通道反應(yīng)時(shí)間比較 剔除每例受試者的無效事件和遺漏事件(快于100 ms或慢于1 000 ms的單個(gè)數(shù)據(jù)被排除在分析之外[9])，對(duì)受試者在每個(gè)任務(wù)的RT進(jìn)行分析(圖2、表1)，單雙通道與視聽覺交互作用具有顯著性差異(P=0.024)，單、雙通道刺激因素對(duì)于RT沒有顯著影響，視、聽覺因素對(duì)RT有顯著性影響(P=4.9×10-5)。進(jìn)一步進(jìn)行事后多重比較，不同任務(wù)間的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示，單雙通道視、聽覺任務(wù)的RT差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。無論單雙通道，視覺任務(wù)的RT均顯著小于聽覺任務(wù)(V vs A:P=7.6×10-5，Va vs Av:P=1.1×10-3)。

圖2 視、聽覺和刺激單雙通道的反應(yīng)時(shí)間(誤差欄為s) 單、雙通道的視聽覺任務(wù)均存在顯著性差異，*P<0.05，**P<0.001

表1 視、聽覺刺激單雙通道RT的重復(fù)測(cè)量方差分析結(jié)果

2.2腦區(qū)激活結(jié)果

2.2.1單雙通道與視、聽覺刺激的交互作用 單雙通道與視、聽覺刺激的交互作用分析表明，作用腦區(qū)位于左側(cè)頂下小葉(inferior parietal lobe, IPL)(表2、圖3)，其信號(hào)變化在單雙通道的聽覺刺激(Av vs A)中存在顯著差異(P<0.01)，視、聽覺刺激在單雙通道(Va vs Av、V vs A)間有顯著差異(P<0.05)。

圖3 單雙通道與視、聽覺刺激的交互作用 左圖為4個(gè)任務(wù)中交互作用激活的皮質(zhì)區(qū)域，顯著性閾值為P<0.001；右圖為任務(wù)間的激活腦區(qū)信號(hào)變化。IPL: 頂上回，*P<0.05,**P<0.01

表2 單雙通道視、聽覺刺激的反應(yīng)時(shí)間

2.2.2視、聽覺刺激的主效應(yīng) 在分析了交互作用的激活腦區(qū)后，進(jìn)一步分析單雙通道因素及視、聽覺刺激因素的主效應(yīng)激活情況，對(duì)于單雙通道因素的主效應(yīng)結(jié)果，沒有顯著激活。視、聽覺刺激因素的主效應(yīng)F檢驗(yàn)結(jié)果表明，腦區(qū)激活主要位于雙側(cè)顳中回(middle temporal gyrus, MTG)和右側(cè)額中回(middle frontal gyrus, MFG)(圖4、表3)。

2.2.3單雙通道注意調(diào)控的差異 分析視覺和聽覺在單雙通道的差異激活，僅聽覺目標(biāo)在單通道刺激和屏蔽視覺刺激(A-Av)有顯著性結(jié)果，t檢驗(yàn)結(jié)果顯示(表4、圖5)，涉及區(qū)域位于 ①空間注意相關(guān)的背側(cè)額頂網(wǎng)絡(luò)(frontoparietal network, FPN)，包括IPL、中央前回(precentral gyrus，PreCG)和背外側(cè)前額皮質(zhì)(dorsolateral prefrontal cortex，DLPFC)；②腦島(insula, INS)；③顳上溝/回(superior temporal sulcus/gyrus, STS/STG)。

圖5 聽覺目標(biāo)在單通道刺激和屏蔽視覺刺激(A-Av)的差異激活 上圖為聽覺目標(biāo)在單通道刺激和屏蔽視覺刺激(A-Av)差異激活的皮質(zhì)區(qū)域，顯著性閾值為P<0.001；下圖為任務(wù)間的激活腦區(qū)信號(hào)變化。L：左半球；R:右半球；IPL：頂耳小葉；SMG：緣上回；PreCG:中央前回；DLPFC：背外側(cè)前額皮質(zhì)；INS：腦島；STG：顳上回；*P<0.05,**P<0.01

表4 聽覺目標(biāo)在單通道刺激和屏蔽視覺刺激(A-Av)的差異激活腦區(qū)

3 討論

fMRI是根據(jù)磁共振成像對(duì)組織磁化高度敏感的特點(diǎn)來研究人腦功能的一項(xiàng)技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)在于有較高的空間、時(shí)間分辨率，無輻射損傷以及可以在活體上重復(fù)進(jìn)行檢測(cè)。血氧水平依賴成像(blood orggen level dependent,BOLD)是目前最常用的fMRI技術(shù)，其成像原理是連續(xù)采集一系列的腦圖像并對(duì)它進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。當(dāng)大腦受到刺激時(shí)，開始進(jìn)行功能活動(dòng)，局部腦血流速度、血流量及腦組織耗氧量均增加，腦組織局部的毛細(xì)血管和小靜脈中，含氧血紅蛋白濃度明顯高于其周圍組織。當(dāng)某個(gè)大腦區(qū)域被激活時(shí)，這個(gè)區(qū)域就有更多的氧和血液進(jìn)入，之后血流進(jìn)入該區(qū)域的氧量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過被攝取的氧量，此時(shí)氧和血液含量相當(dāng)高，腦組織局部氧含量的增加造成了局部逆磁性物質(zhì)的增加，而周圍組織因沒有神經(jīng)活動(dòng)，氧含量不增加，局部主要為順磁性物質(zhì)，這樣就構(gòu)成了信號(hào)對(duì)比，通過圖像后處理即可算出腦內(nèi)活動(dòng)區(qū)域部位和范圍。

選擇性注意機(jī)制和視聽交互作用對(duì)空間信息的認(rèn)知過程著重要意義，大腦可以將視、聽通道的信息進(jìn)行自動(dòng)整合。當(dāng)視聽刺激含有不同信息，大腦將注意力從一個(gè)通道切換至另一通道時(shí)，存在不同信息之間的干擾和搶占大腦資源的情況。尤其視、聽覺交互作用下的注意競(jìng)爭(zhēng)，凸顯出在分配大腦認(rèn)知資源上主導(dǎo)感官的優(yōu)先級(jí)，而這些都能在行為學(xué)和腦部活動(dòng)中體現(xiàn)。本研究利用任務(wù)態(tài)fMRI技術(shù)研究注意力在調(diào)節(jié)單雙通道視聽空間信息分配時(shí)的腦活動(dòng)差異，從本研究結(jié)果看，單雙通道與視、聽覺刺激間存在顯著的交互作用(P<0.05)，即視覺和聽覺在處理空間信息的過程中存在自動(dòng)整合的過程；其中，視、聽覺因素的主效應(yīng)具有顯著性(P<0.001)，無論單雙通道，視覺任務(wù)的RT均顯著小于聽覺任務(wù)。這是由于視覺在空間認(rèn)知上更具優(yōu)勢(shì)，在空間信息的處理中，視覺占主導(dǎo)地位。雙通道刺激對(duì)注意聽覺產(chǎn)生促進(jìn)作用，這說明聽覺注意更加容易受到視覺刺激的影響，而聽覺刺激對(duì)視覺注意的影響則會(huì)產(chǎn)生抑制作用。視覺信息的加入對(duì)聽覺的空間判斷影響較大，這是由于聽覺的空間方向認(rèn)知上相對(duì)視覺較弱，所以視覺對(duì)其促進(jìn)作用比較大。但是當(dāng)聽覺輸入被整合到空間視覺刺激時(shí)，自動(dòng)整合對(duì)RT顯示出抑制作用，這導(dǎo)致受試者需要花費(fèi)更多的時(shí)間進(jìn)行反應(yīng)?？梢缘贸鼋Y(jié)論，與任務(wù)無關(guān)的感覺輸入會(huì)在行為學(xué)水平上影響自上而下的注意分配。

本研究分析了單、雙通道與視、聽覺刺激間的交互作用在腦區(qū)的激活情況，可見，IPL在其中有顯著激活，表明IPL在單雙通道視聽覺交互作用中具有重要作用。先前的研究也證實(shí)，IPL參與自上而下和自下而上的注意過程，單模態(tài)和多模態(tài)的調(diào)控機(jī)制，且對(duì)空間認(rèn)知有重要作用[10]。

文中結(jié)果顯示，差異激活主要在右側(cè)MFG和雙側(cè)MTG，其中，MFG與空間知覺有關(guān)，右側(cè)MFG主要用于處理位置信息的知覺決定[11]。雙側(cè)MTG主要為初級(jí)聽覺皮層，主要處理基礎(chǔ)聽覺信息，且在注意調(diào)控中有重要作用[12, 13]。可見相對(duì)于視覺信息的處理，聽覺信息需要調(diào)動(dòng)更多的注意。

從文中結(jié)果看，視覺注意任務(wù)的反應(yīng)時(shí)間大于單獨(dú)視覺任務(wù)，相反，視覺注意任務(wù)的反應(yīng)時(shí)間小于單獨(dú)聽覺任務(wù)，均無顯著性差異，表明，選擇性注意下的視聽整合對(duì)于視覺刺激存在抑制效果，而對(duì)于聽覺刺激存在促進(jìn)效果。本研究對(duì)比了視覺、聽覺刺激在單雙通道中的激活差異，fMRI結(jié)果發(fā)現(xiàn)，視覺在單通道刺激和屏蔽聽覺刺激(V-Va)中沒有顯著性差異的激活。這是由于視覺包含較強(qiáng)的空間信息，聽覺信息的加入對(duì)其產(chǎn)生了抑制作用，但對(duì)于大腦的空間信息加工影響較小。已有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)受試者選擇性注意在一個(gè)感覺通道時(shí)，被屏蔽的通道所在的大腦皮層活動(dòng)將被抑制，從而導(dǎo)致該大腦皮層減少產(chǎn)生多感覺整合的刺激信息[8]。視覺系統(tǒng)通常主導(dǎo)視聽空間過程，因?yàn)樗哂斜嚷犛X系統(tǒng)更高的空間敏銳度[14]。聽覺方面，單獨(dú)聽覺任務(wù)的激活皮層區(qū)域大于視覺注意任務(wù)，這表明與任務(wù)無關(guān)的視覺刺激對(duì)聽覺加工有抑制作用，與受試者對(duì)每個(gè)任務(wù)的反應(yīng)時(shí)間結(jié)果相一致，即對(duì)于空間任務(wù)，聽覺會(huì)增加大腦的信息處理量，單通道聽覺相對(duì)于聽覺注意任務(wù)消耗了更多的腦部資源，導(dǎo)致單獨(dú)聽覺任務(wù)的判斷過程更長(zhǎng)(反應(yīng)時(shí)間更長(zhǎng))。聽覺目標(biāo)在單通道刺激和屏蔽視覺刺激(A-Av)的顯著差異激活主要位于背側(cè)FPN，雙側(cè)INS及雙側(cè)STG/STS。研究結(jié)果表明，與空間工作記憶一樣，雙側(cè)IPL(BA40)和DLPFC(BA46)與空間選擇性注意有關(guān)[15]。INS是感覺信息加工的重要腦區(qū)[16, 17]，STS與視聽整合過程相關(guān)，主要負(fù)責(zé)在感覺水平處理跨模態(tài)的信息[18, 19]，STG作為初級(jí)聽覺皮層的一部分對(duì)簡(jiǎn)單的聲音信息進(jìn)行處理。

綜上所述，單雙通道和視、聽覺刺激在大腦信息處理中存在交互作用，即存在自動(dòng)進(jìn)行的視聽整合過程，左側(cè)頂下小葉在其中起主要作用；視聽覺因素在單雙通道空間信息分配處理中有顯著差異；對(duì)于視覺目標(biāo)，與任務(wù)無關(guān)的聽覺刺激對(duì)視覺空間注意存在促進(jìn)作用，而對(duì)于聽覺目標(biāo)，多感覺通道的輸入抑制了聽覺信息的加工；說明視覺和聽覺在外界空間信息處理的過程中，存在視覺信息選擇性優(yōu)勢(shì)；在聽覺空間信息處理的過程中，根據(jù)視覺的選擇性優(yōu)勢(shì)，大腦會(huì)自動(dòng)對(duì)聽覺進(jìn)行視聽雙通道的整合加工。