科研进展
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  • 宋艳课题组采用EEGfNIRS同步联合记录手段,
    在《Human Brain Mapping
    》发表论文揭示预期对于注意选择影响的神经机制

          2019年5月7日,北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室宋艳教授课题组在国际神经影像权威杂志《Human Brain Mapping》在线发表题为“Anticipatory alpha oscillation predicts attentional selection and hemodynamic response”的文章,本研究通过EEG-fNIRS同步联合记录技术手段揭示了预期对于注意选择影响的神经机制。

          每天我们睁开眼睛就会面临现实世界中复杂而丰富的视觉信息的冲击,而通常由于自身有限的注意和脑资源,我们不可能同时平行的加工这些信息。我们通常会主动的产生预期并选择一部分与我们有关的信息进行加工,同时会过滤掉一部分无关的干扰信息。
     
          宋艳课题组最新研究揭示了预期对于注意选择的影响机制。研究创新性的采用了脑电(EEG)和近红外光学成像(fNIRS)同步联合记录的手段,在两种信号互不干扰的基础之上,同时兼具了fNIRS较高的空间分辨率和EEG的高时间分辨率的优势。使研究者可以探测到在同一种注意任务条件下同时进行的两种信号大脑活动(神经电生理信号和血氧动力学信号),排除了在分次记录中由于被试多次进行实验任务导致的练习效应和不同状态等其它干扰因素的影响。

     
    图1 实验采用的脑电和近红外信号同步联合记录的帽子以及光学通道和电极位置的映射图
     
          α波(8-12 Hz)是人脑的所有震荡活动中与认知活动密切相关的频段,并且最近的证据表明,预期所诱发的α频段能量变化对于人们的注意选择过程有着重要的影响。本研究主要集中于探讨视觉搜索任务中预期阶段α频段和血氧活动与随后目标所诱发的注意选择ERP成分之间的关系,利用同步联合记录的优势对EEG与血氧信号的耦合关系进行研究。


    2 预期(由线索刺激诱发)引起α频段在大脑左右半球产生偏侧化的现象,随后由注意选择过程所诱发的生物标志物ERP成分——N2pc
     
          实验结果发现,预期效应可以诱发α频段的大脑偏侧化,这种α能量的偏侧化程度可以显著预测随后刺激诱发的注意选择生物标志物(N2pc)脑电成分的振幅。也就是说,个体的注意水平可以通过预期所诱发的α偏侧化水平得到预测。研究进一步发现 α能量的偏侧化程度与邻近的视觉皮层(V4)的血氧水平的偏侧化程度具有正向的耦合关系。这些研究结果表明,视觉皮层血氧动力学信号与大脑的电生理活动有着密切的关系:表现为预期所诱发的α频段大脑震荡活动对于枕叶附近的视觉皮层激活有着重要的调制作用。
     
    图3 α频段偏侧化的能量偏侧化在被试间以及被试内水平都可以预测随后的注意选择标记物N2pc的幅值

          本研究既探究了预期阶段的α波震荡对于随后注意选择ERP成分的影响,同时揭示了α频段能量与血氧信号的耦合关系。值得注意的是该研究采用fNIRS–EEG同步联合记录的手段,具有无创、彼此互不干扰、微小运动不敏感、生态效度高等多个优点,对于未来儿童脑智研究,尤其是注意缺陷(ADHD)儿童提供了新的思路和方法。
     
    图4 预期阶段注意的转移可以诱发血氧水平的偏侧化,同时这种偏侧化的调制与α的偏侧化,随后的注意选择标记物N2pc幅值有着密切的关系
     
            该论文第一作者为博士生赵晨光,第二作者为博士生郭家梁,第三作者为硕士生李东伟,通讯作者为宋艳教授,均来自北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室、麦戈文脑科学研究院。致谢美国德州大学阿林顿分校的刘汉莉教授和华南师范大学的丁玉珑教授对本研究的支持。该研究得到了国家自然科学基金和中国国防基础科学研究计划等项目的资助。
     
    论文链接:  https://doi.org/10.1002/hbm.24619
    以往论文链接:http://dx.doi.org/10.1016/j.neuroimage.2015.03.044
    课题组链接:http://brain.bnu.edu.cn/home/songyan/index.html