高特質(zhì)焦慮個體執(zhí)行控制功能及其腦網(wǎng)絡(luò)研究

季淑梅 步鑫鑫 荀興苗 蘇新樂 許全盛

1(燕山大學(xué)康養(yǎng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河北 秦皇島 066004)

2(燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所，河北 秦皇島 066004)

引言

不同于狀態(tài)焦慮，特質(zhì)焦慮是相對穩(wěn)定、具有內(nèi)隱性和個體差異性的焦慮傾向, 是一種穩(wěn)定的人格特質(zhì)[1-2]。相比于低特質(zhì)焦慮(low trait anxiety, LTA),高特質(zhì)焦慮(high trait anxiety, HTA)個體對相同的應(yīng)激情境表現(xiàn)出更高的焦慮水平, HTA與焦慮癥具有共病基礎(chǔ), 均表現(xiàn)出情緒及認知障礙[3-5]。探討HTA認知功能及腦功能特點，對深入理解焦慮癥的發(fā)病進程，有針對性地開展焦慮癥的早期識別與干預(yù)，具有重要意義。

認知沖突及執(zhí)行控制一直是認知神經(jīng)科學(xué)的重要研究領(lǐng)域。認知沖突是指無關(guān)刺激對當(dāng)前認知任務(wù)的干擾；執(zhí)行控制功能也被稱為認知控制，是指即便在面對干擾刺激或沖突反應(yīng)的情況下，人們也能按照內(nèi)部意愿的指導(dǎo)思維和行動的能力[6-7]。對沖突的監(jiān)控與解決能力反映了執(zhí)行控制功能，通過敏感的認知沖突反應(yīng)，可以衡量執(zhí)行控制能力[8]。研究表明[9-13]， HTA個體執(zhí)行控制功能可能存在一定的損傷, HTA個體及焦慮癥患者對情緒信息(尤其是負性情緒信息)有更多的注意傾向，且注意力難以從情緒信息脫離,從而對當(dāng)前目標(biāo)的反應(yīng)產(chǎn)生較大的干擾效應(yīng), 表現(xiàn)出對分心物的抑制困難、沖突控制能力減弱。以往研究主要集中于與情緒認知相關(guān)的任務(wù)設(shè)計, 且主要局限于心理學(xué)認知行為研究、孤立腦區(qū)活動狀態(tài)的研究，缺乏在大腦神經(jīng)加工機制(包括在大尺度腦網(wǎng)絡(luò)上)方面的關(guān)注和探討。

HTA個體執(zhí)行控制功能受損，是其穩(wěn)定、固有的特征還是因情緒信息刺激誘發(fā)？情緒信息對執(zhí)行控制具有一定的干擾作用，為排除其干擾，本研究基于與情緒無關(guān)的Simon空間認知沖突實驗范式，融合認知行為分析方法、神經(jīng)電生理技術(shù)及復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析方法, 探討HTA個體的執(zhí)行控制功能及其腦功能網(wǎng)絡(luò)特點。

1 方法

1.1 實驗對象

采用Spielberger的 “特質(zhì)焦慮問卷”[2,5]，對在校大學(xué)生進行問卷測試，依據(jù)得分高低，分別篩選入組為HTA組(得分55分以上)和LTA組(得分31分以下)。

為避免抑郁的干擾，對以上所有入組者再行“貝克抑郁量表”評定，選取得分小于13分者作為被試。最終，選取HTA、LTA組各16名被試(每組被試中男、女各8名)，對兩組被試得分進行獨立樣本t檢驗(見表1)：HTA組被試“特質(zhì)焦慮問卷”分?jǐn)?shù)顯著高于LTA組的分?jǐn)?shù)(t=6.983，P<0.05)，兩組被試“貝克抑郁量表”得分無顯著差異(t=0.823，P>0.05)，表明被試分組有效、可行。所有被試均為右利手，視力或矯正視力正常，無其他精神或神經(jīng)障礙，無腦外傷史，年齡在18～24歲。

表1 量表得分

1.2 實驗任務(wù)

利用“Simon空間位置認知沖突”范式, 進行2組別(HTA組、LTA組)× 2任務(wù)(“對應(yīng)顏色圓圈呈現(xiàn)位置與按鍵反應(yīng)位置”一致、不一致)的混合實驗設(shè)計，任務(wù)材料如圖1所示。當(dāng)屏幕上出現(xiàn)紅色圓圈按鼠標(biāo)左鍵，出現(xiàn)綠色圓圈按鼠標(biāo)右鍵。紅色圓圈出現(xiàn)在屏幕左側(cè)或綠色圓圈出現(xiàn)在屏幕右側(cè)為一致條件(即非沖突條件)(見圖(a)和(b))，而紅色圓圈出現(xiàn)在屏幕右側(cè)或綠色圓圈出現(xiàn)在屏幕左側(cè)為不一致條件(即沖突條件)(見圖(c)和(d))。

圖1 Simon沖突任務(wù)材料。(a) 紅色圓圈出現(xiàn)在屏幕左側(cè)(非沖突條件)；(b) 綠色圓圈出現(xiàn)在屏幕右側(cè)(非沖突條件)；(c) 紅色圓圈出現(xiàn)在屏幕右側(cè)(沖突條件)； (d) 綠色圓圈出現(xiàn)在屏幕左側(cè)(沖突條件)Fig.1 The materials of Simon conflict task. (a) The red circle on the left side of the screen(non-conflict condition); (b) The green circle on the right side of the screen(non-conflict condition); (c) The red circle on the right side of the screen(conflict condition); (d) The green circle on the left side of the screen(conflict condition)

任務(wù)序列由 E-Prime 2.0 軟件編寫，序列呈現(xiàn)方式如圖2所示。共進行 360 個序次任務(wù)(分6 個組塊呈現(xiàn)，每個組塊包含 60 個試次)，每個試次隨機呈現(xiàn)。每個試次開始，屏幕中央呈現(xiàn)“+”注視點，持續(xù)500 ms；隨后目標(biāo)刺激(呈現(xiàn)時間1 000 ms)出現(xiàn)，要求被試對屏幕左右空間位置呈現(xiàn)的圓圈顏色進行按鍵反應(yīng)，當(dāng)屏幕上出現(xiàn)紅色圓圈按鼠標(biāo)左鍵，出現(xiàn)綠色圓圈按鼠標(biāo)右鍵，忽略圓圈在屏幕中呈現(xiàn)的位置，被試做出按鍵反應(yīng)后目標(biāo)刺激即消失(反應(yīng)按鍵時間不超過1 500 ms，對超時的反應(yīng)系統(tǒng)不做記錄)，間隔400～600 ms之后開始下一試次。每個組塊60個試次完成后進行短暫休息，再進入下一組塊。

圖2 實驗任務(wù)序列Fig.2 The experimental task sequence

由E-prime2.0軟件記錄正確反應(yīng)時間、正確率等行為數(shù)據(jù)，使用美國 Neuroscan 64導(dǎo)腦電(EEG)記錄與分析系統(tǒng)采集EEG (64導(dǎo)腦電記錄電極位置分布見圖3)，以單側(cè)乳突為參考，離線處理時轉(zhuǎn)為雙側(cè)乳突參考。使用 Scan 4.5軟件離線處理EEG數(shù)據(jù)，實現(xiàn)行為數(shù)據(jù)融合、參考轉(zhuǎn)換、去除眼電、偽跡校正等預(yù)處理。按照被試的按鍵反應(yīng)標(biāo)簽，對反應(yīng)正確的EEG數(shù)據(jù)進行分類、分段(分段時程為：刺激呈現(xiàn)前100 ms到刺激呈現(xiàn)后1 000 ms，即-100 ms～1 000 ms，以-100 ms數(shù)據(jù)視為基線)，獲得沖突任務(wù)(對應(yīng)顏色圓圈的呈現(xiàn)位置與按鍵反應(yīng)的位置不一致)的EEG數(shù)據(jù)段(每個被試選取30段相同標(biāo)簽的EEG數(shù)據(jù)段進行分析), 分別提取 EEG的 beta 節(jié)律(14～30 Hz)和高 gamma 節(jié)律(50～80 Hz)信號進行腦網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與分析。高級認知功能與大腦快速震蕩的 beta 與 gamma 頻段密切相關(guān)，本研究主要探討這兩個頻段的腦網(wǎng)絡(luò)特性。

圖3 64導(dǎo)腦電記錄電極位置Fig.3 Position of 64-channel EEG recording electrodes

1.3 腦網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

采用同步似然算法，分析多通道EEG信號之間的同步程度，使用同步似然值度量不同腦區(qū)之間的關(guān)聯(lián)性大小。

步驟1：選取額、頂、顳、枕及中央?yún)^(qū)的代表性電極所在頭皮位置作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點構(gòu)建腦網(wǎng)絡(luò)，對其EEG信號進行同步似然分析[14]，計算兩兩節(jié)點之間的同步似然值，建立同步似然系數(shù)關(guān)聯(lián)矩陣。

步驟2：設(shè)置合適閾值T對關(guān)聯(lián)矩陣進行二值化(大于T的值設(shè)為1，其他設(shè)為0)，得到圖論中表示邊的二值矩陣；利用軟件BrainNet Viewer(北京師范大學(xué)研發(fā))對功能連接進行可視化，形成功能連接拓撲結(jié)構(gòu)。

步驟3：利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)屬性參數(shù)計算方法，計算網(wǎng)絡(luò)的整體屬性參數(shù)(全局效率、聚類系數(shù)和特征路徑長度)及節(jié)點屬性參數(shù)(節(jié)點度)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

2 結(jié)果

2.1 行為數(shù)據(jù)分析

表2為HTA組和LTA組在完成兩種不同任務(wù)類型(“對應(yīng)顏色圓圈呈現(xiàn)位置與呈現(xiàn)反應(yīng)位置”一致、不一致)下的正確反應(yīng)時間(只分析正確反應(yīng)所需時間，錯誤反應(yīng)不計入)和正確率。

表2 平均反應(yīng)時間與正確率Tab.2 Average response time and

重復(fù)測量方差分析結(jié)果顯示，反應(yīng)時間與正確率均表現(xiàn)為：被試組別主效應(yīng)顯著(P< 0.05)(正確反應(yīng)時間F1, 30=9.419，正確率F1, 30=10.444)，任務(wù)類型主效應(yīng)顯著(F1, 30=22.137，F(xiàn)1, 30=17.293)，被試組別與任務(wù)類型的交互作用顯著(F1, 30=9.601，F(xiàn)1, 30=9.305)。進一步進行簡單效應(yīng)分析：在一致條件下，HTA組與LTA組被試的反應(yīng)時間、正確率均無顯著差異，表明HTA個體空間位置的認知能力未受損；在不一致條件下，HTA組與LTA組被試的反應(yīng)時間、正確率均有顯著差異(HTA組被試反應(yīng)時間長于LTA組，正確率低于LTA組)，表明HTA組被試認知沖突反應(yīng)能力(即執(zhí)行控制功能)下降。

2.2 同步性與閾值

對額、頂、顳、枕及中央?yún)^(qū)的36個電極的EEG信號進行同步似然分析，建立的同步關(guān)聯(lián)矩陣如圖4所示；同步似然值越接近1，說明節(jié)點間的相關(guān)性越強。HTA組被試在beta節(jié)律及高gamma節(jié)律信號的平均同步似然值均小于LTA組的值，表明HTA組被試的各腦區(qū)間同步性減弱，大腦皮層各區(qū)域間的整合功能下降。

圖4 同步似然系數(shù)矩陣。(a) beta節(jié)律(LTA)；(b) beta節(jié)律(HTA)；(c) 高gamma節(jié)律(LTA)；(d) 高gamma節(jié)律(HTA)Fig.4 Synchronization likelihood matrix.(a) Beta rhythm (LTA); (b) Beta rhythm (HTA); (c) High gamma rhythm (LTA); (d) High gamma rhythm (HTA)

圖5 腦網(wǎng)絡(luò)平均節(jié)點度、稀疏度隨閾值變化。 (a) 平均節(jié)點度； (b) 稀疏度Fig.5 The change of average node degree and sparsity degree with threshold value in brain network.(a)The average node degree; (b) The sparsity degree

圖6 腦網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。(a) beta節(jié)律(LTA)；(b) beta節(jié)律(HTA)；(c) 高gamma節(jié)律(LTA)；(d) 高gamma節(jié)律(HTA)Fig.6 Topology of brain network.(a) Beta rhythm (LTA); (b) Beta rhythm (HTA); (c) High gamma rhythm (LTA); (d) High gamma rhythm (HTA)

2.3 腦網(wǎng)絡(luò)屬性參數(shù)

2.3.1節(jié)點屬性參數(shù)

對腦網(wǎng)絡(luò)的平均節(jié)點度進行兩因素重復(fù)測量方差分析，結(jié)果顯示：被試組別主效應(yīng)顯著(F1,30=17.302，P< 0.05)，信號節(jié)律(beta、高gamma) 主效應(yīng)顯著(F1,30=11.843)， 被試組別與信號節(jié)律的交互作用顯著(F1,30=7.669)。簡單效應(yīng)分析表明：在兩種節(jié)律下，LTA組、HTA組的腦網(wǎng)絡(luò)平均節(jié)點度均有顯著差異(P< 0.05)，即在額區(qū)和頂區(qū)，HTA組腦網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點度值均小于LTA組的值； HTA組、LTA組高gamma節(jié)律和beta節(jié)律的腦網(wǎng)絡(luò)平均節(jié)點度有顯著差異(P< 0.05)，即高gamma節(jié)律的腦網(wǎng)絡(luò)平均節(jié)點度值大于beta節(jié)律的值。以上分析表明，HTA組與LTA組存在顯著差異的節(jié)點(見表3)，主要位于額區(qū)(FP1，F(xiàn)P2，AF3，AF4，F(xiàn)1，F(xiàn)2，F(xiàn)3和F4)和頂區(qū)(CP1，CP2，CPZ，CP3，CP4，P1，P2，P3和P4)、而顳區(qū)與枕區(qū)的節(jié)點度無顯著差異。

表3 額區(qū)及頂區(qū)節(jié)點度Tab.3 The node degree of frontal and parietal area

2.3.2整體屬性參數(shù)

整體屬性參數(shù)(聚類系數(shù)、全局效率和特征路徑長度)如表4所示，分別對上述參數(shù)進行重復(fù)測量方差分析。分析結(jié)果顯示，3個參數(shù)(聚類系數(shù)、全局效率和特征路徑長度)均表現(xiàn)為：被試組別主效應(yīng)顯著(P< 0.05)(分別為F1,30=11.392，F(xiàn)1,30=14.417，F(xiàn)1,30=7.119)，被試組別與信號節(jié)律的交互作用顯著(F1,30=8.917，F(xiàn)1, 30=8.003，F(xiàn)1, 30=9.112)。簡單效應(yīng)分析表明，在EEG兩種節(jié)律下， LTA、HTA的腦網(wǎng)絡(luò)參數(shù)均有顯著差異(P< 0.05)，表現(xiàn)為HTA組的聚類系數(shù)值及全局效率值小于LTA組的值，而特征路徑長度值大于LTA組的值。對EEG兩種節(jié)律的比較表明，高gamma節(jié)律和beta節(jié)律的聚類系數(shù)有顯著差異(P< 0.05)，表現(xiàn)為高gamma節(jié)律的聚類系數(shù)值大于beta節(jié)律的值，而兩種節(jié)律的全局效率值及特征路徑長度值無顯著差異，提示EEG不同節(jié)律的腦網(wǎng)絡(luò)特點可能主要與聚類系數(shù)相關(guān)。

表4 腦網(wǎng)絡(luò)整體屬性參數(shù)Tab.4 The overall attribute parameters of brain network (n=16)

3 討論

本研究通過行為學(xué)及腦功能網(wǎng)絡(luò)分析，探討了HTA個體Simon空間認知沖突反應(yīng)的特點。行為學(xué)分析表明, HTA組和LTA組在一致條件下的反應(yīng)時間與正確率均無顯著差異，而不一致條件下(即沖突條件下)HTA組反應(yīng)時間延長、正確率下降，表明其沖突反應(yīng)效率下降、執(zhí)行控制能力減弱。

整體屬性參數(shù)(全局效率、聚類系數(shù)和特征路徑長度)及節(jié)點屬性參數(shù)(節(jié)點度)是衡量復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)功能的重要指標(biāo)。

1)節(jié)點度：度量網(wǎng)絡(luò)某一節(jié)點與鄰節(jié)點連接邊的數(shù)量, 表征網(wǎng)絡(luò)連接的稀疏程度，節(jié)點度越大, 表明節(jié)點間連接更多，節(jié)點間聯(lián)系更加緊密。

2)聚類系數(shù)：衡量網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部集團化和連接的緊密程度，數(shù)值越大表明網(wǎng)絡(luò)整合功能更強。

3)特征路徑長度：為所有節(jié)點間最短路徑的平均值, 表征網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間直接聯(lián)系的多少，反映網(wǎng)絡(luò)傳遞信息的能力。

4)全局效率：是衡量信息在網(wǎng)絡(luò)中傳遞快慢的一個綜合指標(biāo)，定義為每對節(jié)點間最短路徑的倒數(shù)的平均值。特征路徑長度越小、全局效率越高，表明網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點間的直接連接更多，信息傳遞效率更高。

對腦網(wǎng)絡(luò)的分析結(jié)果表明，LTA組和HTA組被試在beta節(jié)律及高gamma節(jié)律的腦網(wǎng)絡(luò)節(jié)點屬性參數(shù)(節(jié)點度)及整體屬性參數(shù)(聚類系數(shù)、全局效率和特征路徑長度)方面均存在差異，表現(xiàn)為：HTA組額葉和頂葉的節(jié)點度值均小于LTA組的值，HTA組腦網(wǎng)絡(luò)的聚類系數(shù)值、全局效率值明顯降低，特征路徑長度值明顯增大。這表明，HTA個體額葉和頂葉的同步性及功能連接減弱，腦網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部集團化及連接緊密程度降低，腦網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸能力下降。額頂控制網(wǎng)絡(luò)即執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò), 是認知控制中的高級加工網(wǎng)絡(luò)，表現(xiàn)出自上而下的沖突控制加工, 阻止沖突或抑制無關(guān)信息，有效地控制行為[16-17]。該網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點腦區(qū)包括背外側(cè)前額葉、前扣帶回皮層、額下回等額葉腦區(qū)及后部頂葉皮層的頂下小葉、頂上小葉[18-21]，其功能受損導(dǎo)致執(zhí)行控制能力下降。額頂控制網(wǎng)絡(luò)與其相關(guān)作用腦區(qū)的連接強度，可以正向預(yù)測被試的執(zhí)行控制功能。

筆者先前的研究表明[13]，在Stroop情緒詞-面孔沖突任務(wù)下，焦慮人群的顳葉功能異常增強，對情緒信息異常敏感，而額頂執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)的功能下降。焦慮人群其執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)功能的下降，可能與顳區(qū)異常興奮有關(guān)，情緒信息刺激下顳葉功能異常增強，進而對額頂執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)的自下而上的抑制增強。不同于Stroop情緒詞-面孔沖突任務(wù)，Simon空間認知沖突任務(wù)是與情緒無關(guān)的“刺激呈現(xiàn)位置與按鍵反應(yīng)位置”的沖突。本研究的結(jié)果表明，在Simon空間認知沖突任務(wù)下，HTA組額葉、頂葉的節(jié)點度值均小于LTA組的值，而顳葉節(jié)點度值與LTA組的值無顯著差異，說明HTA個體額葉和頂葉的同步性及功能連接減弱，并非依賴于顳葉的異常興奮。

4 結(jié)論

本研究表明，HTA個體沖突監(jiān)控、沖突解決等執(zhí)行控制能力下降，其機制不僅與額頂執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)功能受損有關(guān)，也與腦網(wǎng)絡(luò)的整合功能及信息傳輸能力減弱有關(guān)。HTA個體的執(zhí)行控制能力下降，并非是由于情緒信息刺激誘發(fā)，HTA個體額頂執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)功能受損是其穩(wěn)定、固有的特征。

目前大多數(shù)腦網(wǎng)絡(luò)研究集中于無向網(wǎng)絡(luò)，本研究所構(gòu)建的腦功能網(wǎng)絡(luò)也屬于無向網(wǎng)絡(luò)，未能反映腦功能網(wǎng)絡(luò)中非常重要的方向信息。未來研究需要構(gòu)建有向的功能網(wǎng)絡(luò)來刻畫不同腦區(qū)連接的方向性以及神經(jīng)活動之間的因果關(guān)系，進一步闡明焦慮癥、抑郁癥等精神障礙在其額頂執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)中各腦區(qū)的相互作用機制。